BR102012003529B1

BR102012003529B1 - Tubo de aço e método para a produção do mesmo

Info

Publication number: BR102012003529B1
Application number: BR102012003529-4A
Authority: BR
Inventors: Eduardo Altschuler; Tereza Perez; Edgardo Lopez; Constantino Espinosa; Gonzalo Gomez
Original assignee: Siderca Saic
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2019-05-14
Also published as: US20120211131A1; US20140057121A1; EP2495341A1; US8636856B2; MX2012002120A; DK2495341T3; CN102644028A; CN102644028B; AR085298A1; US9222156B2; EP2495341B1; BR102012003529A2

Abstract

concretizações da presente descrição compreendem aços carbono e métodos de fabricação. em uma concretização, o procedimento de resfriamento rápido e têmpera é realizado no qual uma composição de aço selecionada é conformada e tratada por aquecimento para originar uma microestrutura levemente temperada tendo uma distribuição fina de carbonetos. em outra concretização, um procedimento de austenitização dupla é revelado no qual uma composição de aço selecionado é conformada e sujeita a tratamento por aquecimento para refinar a microestrutura do aço. em uma concretização, o tratamento por aquecimento pode compreender austentinização e resfriamento rápido da composição de aço conformada por um número selecionado de vezes (por exemplo, 2) antes da têmpera. em outra concretização, o tratamento por aquecimento pode compreender sujeitar a composição de aço conformada a austentinização, resfriamento rápido, e têmpera por um número selecionado de vezes (por exemplo, 2). os produtos de aço conformados a partir das concretizações da composição de aço desta maneira (por exemplo), barras tubulares e tubos sem costura) possuirão alta tensão limite de escoamento, por exemplo, pelo menos cerca de 1138 mpa (165 ksi), enquanto mantêm uma boa dureza.

Description

TUBO DE AÇO E MÉTODO PARA A PRODUÇÃO DO MESMO

PEDIDO RELACIONADO [0001] Este pedido está relacionado ao pedido copendente da Requerente intitulado AÇO DE TENACIDADE ULTRA ALTA TENDO BOA DUREZA, número de série 13/031133, depositado em 18 de fevereiro de 2011, cuja totalidade é aqui incorporada como referência.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Campo da invenção [0002] A presente invenção refere-se, geralmente, à produção de metais e, em algumas concretizações, diz respeito a métodos de produção de barras tubulares metálicas tendo alta tenacidade enquanto, simultaneamente, possuem boa dureza.

Descrição do estado da técnica [0003] Tubos de aço sem costura são amplamente utilizados em uma variedade de aplicações industriais. Devido aos requisitos de maior capacidade de suporte de carga, às situações de tensões dinâmicas e à necessidade de componentes mais leves, existe uma crescente demanda para o desenvolvimento de tubos de aço que possuam tenacidade e dureza aumentadas.

[0004] Na indústria do petróleo, pistolas de perfuração constituídas por tubos de aço contendo cargas explosivas são usadas para entregar cargas explosivas em locais selecionados

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2/40 de poços. Os tubos de aço usados como transportadores de pistolas de perfuração são submetidos a cargas de colapso externo muito altas que são exercidas pela pressão hidrostática do poço. Por outro lado, durante a detonação, os tubos de aço também estão sujeitos a cargas dinâmicas muito elevadas.

Para resolver esse problema, esforços têm sido dirigidos para o desenvolvimento de tubos de aço com alta tenacidade, enquanto, ao mesmo tempo, mantém-se muito boa dureza de impacto.

[0005] Neste momento, o mais alto grau de aço disponível no mercado tem uma tensão limite de escoamento mínima de cerca de 155 ksi. Como resultado, tubos de paredes grossas são muitas vezes empregados em certas formações para suportar as altas pressões de colapso presentes. No entanto, o uso de tubos de paredes grossas reduz significativamente o espaço de trabalho disponível para as cargas explosivas, o que pode limitar a gama de aplicações em que os tubos podem ser empregados.

[0006]	Do que precede, então, há	uma	necessidade	de
melhores	composições	para barras tubulares	metálicas e,	em
especial,	sistemas	e métodos para a	produção de barras
tubulares	metálicas	com uma combinação	de	propriedades	de

alta tração e dureza.

RESUMO DA INVENÇÃO [0007] As concretizações da invenção destinam-se a tubos de aço e métodos de fabricação do mesmo. Em uma concretização, um procedimento de têmpera e revenimento é

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3/40 realizado em que uma composição de aço é conformada e tratada com calor para produzir uma microestrutura levemente temperada tendo um distribuição boa de carbonetos. Em outra concretização, um duplo procedimento de austenitização é divulgado em que uma composição de aço selecionada é formada e submetida a tratamento térmico para refinar a microestrutura de aço. Em uma concretização, o tratamento térmico pode incluir austenitização e têmpera da composição de aço formada em um determinado número de vezes (por exemplo, 2) antes de têmpera. Em outra concretização, o tratamento térmico pode incluir submeter a composição de aço formada a austenitização, têmpera e revenimento em um determinado número de vezes (por exemplo, 2). Produtos siderúrgicos, conformados a partir de concretizações da composição de aço dessa maneira (por exemplo, barras tubulares sem costura e tubos) possuirão força de alto rendimento, por exemplo, pelo menos aproximadamente de 165 ksi, mantendo boa dureza.

[0008] Em uma concretização, um tubo de aço é fornecido. O tubo de aço compreende:

cerca carbono;

de

0,

20%

em

peso

a

cerca

de

0,

30%

de

peso

de

cerca manganês;

de

0,

30%

em

peso

a

cerca

de

0,

70%

de

peso

de

cerca

de

0,

10%

em

peso

a

cerca

de

0,

30%

de

peso

de

silício;

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cerca	de	0,90% em	peso a	cerca	de	1,50%	de	peso	de
cromo;
cerca molibdênio;	de	0,60% em	peso a	cerca	de	1,00%	de	peso	de
cerca nióbio e	de	0,020% em peso	a cerca 0	, 040%	de	peso	de
cerca	de	0,01% em	peso a	cerca	de	0,04%	de	peso	de

alumínio;

em que o tubo de aço é processado para ter uma tensão limite de escoamento maior que aproximadamente 165 ksi e em que a energia Charpy com entalhe em V é maior ou igual a cerca de 80 J/cm² no sentido longitudinal e maior que ou igual a cerca de 60 J/cm² no sentido transversal por volta da temperatura ambiente.

[0009] Em outra concretização, um método para fazer um tubo de aço é fornecido. O método compreende fornecer uma composição de aço-carbono. O método também compreende conformar a composição de aço em um tubo. O método também compreende aquecer o tubo de aço conformado em uma primeira operação de aquecimento a uma primeira temperatura. O método compreende adicionalmente temperar o tubo de aço conformado em uma operação de têmpera da primeira temperatura a uma primeira taxa tal que a microestrutura do aço temperado seja maior do que ou igual a aproximadamente 95% de martensita por volume. O método também compreende revenimento o tubo de aço conformado depois da operação de têmpera aquecendo-se o tubo de aço conformado até uma segunda temperatura menor que cerca

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5/40 de 550°C. O tubo de aço após o revenimento possui uma tensão limite de escoamento maior que cerca de 165 ksi e a energia Charpy com entalhe em V é maior que ou igual a cerca de 80 J/cm² no sentido longitudinal e 60J/cm² no sentido transversal a temperatura próxima da ambiente.

[0010]

Em uma outra concretização, um método de conformação de um tubo de aço é fornecido.

O método compreende fornecer uma barra de aço.

A barra de aço compreende cerca de 0,20 % carbono;

cerca de 0,30 % manganês;

cerca de 0,10 % silício;

cerca de 0,90 % cromo;

cerca de 0,60 % molibdênio;

cerca de 0,020 % nióbio; e cerca de 0,01 em peso até cerca de em peso até cerca de em peso até cerca de em peso até cerca de em peso até cerca de em peso até cerca de % em peso até cerca de

0,30 % em peso de

0,70 % em peso de

0,30 % em peso de

1,50 % em peso de

1,00 % em peso de

0,140 % em peso de

0,04 % em peso de alumínio;

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6/40 [0011] O método também compreende conformar a barra de aço em um tubo em uma operação de conformação a quente a uma temperatura de cerca de 1.200°C a 1.300°C. O método também compreende aquecer o tubo de aço conformado em uma operação de aquecimento até uma primeira temperatura de cerca de 880°C a 950°C por cerca de 10 a 30 minutos. O método também compreende temperar o tubo de aço conformado em uma operação de têmpera depois da primeira operação de aquecimento a uma taxa tal que a microestrutura do aço temperado seja maior que ou igual a cerca de 95% de martensita. O método também compreende revenir o tubo de aço conformado após a segunda operação de têmpera através do aquecimento do tubo de aço conformado a uma temperatura entre cerca de 450°C a cerca de 550°C por entre cerca de 5 minutos a cerca de 30 minutos de tal forma que a estrutura final possui cerca de 95% de martensita com o restante consistindo essencialmente em bainita. A microestrutura, após a têmpera, pode também conter carbonetos esféricos tendo uma dimensão maior menor que ou igual a cerca de 150 pm. O tubo de aço após a têmpera possua uma tensão limite de escoamento maior que cerca de 165 ksi e em que a energia Charpy de entalhe em V é maior ou igual a cerca de 80 J/cm² na direção longitudinal e cerca de 60 J/cm²na direção transversal à temperatura próxima da ambiente.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [0012] As Figuras 1A-1C são concretizações de métodos de conformação de aços de alta dureza; [0013] As Figuras 2A-2B são micrografias de uma concretização da composição de aço após tratamentos térmicos de austenitização, de têmpera e de revenimento; e

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7/40 [0014] A Figura 3 é um gráfico de energia de impacto de

Charpy (CVN) versus a tensão	limite de	escoamento	para aços
conformados a partir	de	concretizações da	presente
divulgação.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0015] Concretizações	da	presente	divulgação	fornecem

composições de aço, barras tubulares (por exemplo, tubos) conformadas usando-se composições de aço, e os respectivos métodos de fabricação. As barras tubulares podem ser empregadas, por exemplo, como transportadores de pistolas de perfuração para a indústria de petróleo e gás. Pode-se entender, no entanto, que as barras tubulares compreendem um exemplo de artigos de fabricação que podem ser conformados de concretizações dos aços da presente divulgação, e não se deve, de nenhuma maneira, ser interpretado para limitar a aplicabilidade das concretizações divulgadas.

[0016] O termo barra, como usado neste documento, é um termo amplo e inclui o seu significado comum de dicionário e também se refere a um membro geralmente oco, alongado que pode ser reto ou ter dobras ou curvas e ser conformado para um formato predeterminado, e qualquer conformação necessária para proteger a barra tubular conformada na sua localização desejada. A barra pode ser tubular, tendo uma superfície exterior substancialmente circular e a superfície interna, embora outras formas e seções transversas sejam contempladas também. Neste documento, o termo tubular refere-se a qualquer forma alongada, oca, que não precisa ser circular ou cilíndrica.

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8/40 [0017] Os termos aproximadamente, cerca de” e substancialmente, como usado neste documento, representam uma quantidade próxima à declarada que ainda executa uma função desejada ou alcança um resultado desejado. Por exemplo, os termos aproximadamente, cerca de e substancialmente podem se referir a uma quantidade que esteja dentro de menos de 10% de, dentro de menos de 5% de, dentro de menos de 1% de, dentro de menos de 0,1% de e dentro de menos de 0,01% da quantidade declarada.

[0018] O termo temperatura ambiente, como usado neste documento, tem seu sentido usual como conhecido por aqueles hábeis no estado da técnica e pode incluir temperaturas dentro do intervalo de aproximadamente 16°C (60°F) a cerca de 32°C (90°F).

[0019] Em geral, concretizações da presente divulgação incluem aços-carbono e métodos de fabricação. Em uma concretização, uma composição de aço selecionada é conformada e submetida a tratamento térmico para refinar a microestrutura de aço. Em uma concretização, a composição de aço pode ser conformada e sujeita a tratamento térmico incluindo austenitização, têmpera e revenimento. A microestrutura no final da têmpera inclui cerca de 95% de martensita em volume. Revenimento subsequente pode ser realizado dentro da faixa entre cerca de 450°C a cerca de 550°C. A microestrutura resultante após a têmpera inclui uma boa distribuição de carbonetos, em que as partículas de carbonetos são relativamente pequenas em tamanho devido às temperaturas relativamente baixas de revenimento. Esta microestrutura provê tenacidade e dureza relativamente altas.

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Por exemplo, tensões limite de escoamento maiores que 165 ksi e energias Charpy de entalhe em V de pelo menos 80 J/cm² na direção LC e pelo menos cerca de 60 J/cm² na direção CL.

[0020] Em outras concretizações, o tratamento térmico pode incluir austenitização e têmpera da composição de aço conformada por um determinado número de vezes (por exemplo, 2) para refinar o tamanho de grão da microestrutura final. Esse refinamento pode melhorar a força e a dureza da composição de aço conformada. A repetição das operações de austenitização e têmpera duas vezes pode ser aqui referida como dupla austenitização. Pode-se entender, no entanto, que as operações de austenitização e têmpera podem ser executadas por qualquer quantidade de vezes, sem limite, para se alcançarem a microestrutura e as propriedades mecânicas desejadas. Em outra concretização, o tratamento térmico pode incluir submeter a composição de aço conformado a operações de austenitização, têmpera e revenimento em uma determinada quantidade de vezes (por exemplo, 2), com o revenimento realizado após cada operação de têmpera.

[0021] Prevê-se que concretizações de artigos conformados a partir das composições de aço selecionadas dessa forma (por exemplo, barras tubulares e tubos) possuirão elevada tensão limite de escoamento, pelo menos de aproximadamente 165 ksi (cerca de 1.138 MPa), conforme medido pela norma ASTM E8 mantendo boa dureza. Por exemplo, os experimentos discutidos neste documento ilustram que aços conformados a partir de concretizações da composição divulgada ainda podem exibir as energias de impacto Charpy de entalhe em V superiores a aproximadamente 80 J/cm² na direção LC e cerca de 60 J/cm² na

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10/40 direção CL, conforme medido de acordo com o padrão ASTM E23. Como discutido mais detalhadamente abaixo, essas melhorias nas propriedades são alcançadas, pelo menos em parte, devido ao refinamento da microestrutura das composições de aço conformadas (por exemplo, o tamanho de grão, o tamanho de pacote e o tamanho médio do carboneto) como resultado da variação das temperaturas das respectivas operações de austenitização.

[0022] Por exemplo, em uma concretização, as repetidas operações de austenitização e têmpera em diferentes temperaturas podem ser empregadas para refinar o tamanho de grão e o tamanho do pacote do tubo de aço conformado com o objetivo de melhorar a dureza do tubo de aço. O tamanho de grão do tubo também pode ser reduzido diminuindo-se a temperatura de austenitização, já que o crescimento de grão é um processo de difusão controlado que pode ser atrasado, reduzindo a temperatura de austenitização. No entanto, a temperatura de austenitização também deve ser alta o suficiente para decompor substancialmente todos os carbonetos de ferro (cementite) na composição de aço. Se a temperatura de austenitização não é alta o suficiente, partículas grandes de cementite podem permanecer na microestrutura final do aço, o que diminui a dureza do aço. Assim, para melhorar a dureza do aço, a temperatura de austenitização é, preferencialmente, selecionada para ser um pouco acima do valor mínimo ao que é necessário para dissolver a cementite. Embora temperaturas mais altas do que esse mínimo possam garantir a decomposição da cementite, elas podem produzir crescimento excessivo de grãos.

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11/40 [0023] Por esse motivo, uma faixa de temperatura preferencial para a austenitização é fornecida em cada condição. O intervalo preferido depende do tamanho de carboneto de ferro da microestrutura inicial. Em uma concretização, se o aço estiver na condição de laminado a quente (por exemplo, o caso do primeiro tratamento de austenitização), a temperatura mínima será de preferência alta o suficiente para dissolver os carbonetos grandes que aparecem na microestrutura inicial (por exemplo, cerca de 900°C a cerca de 950°C) . Se o material está na condição de têmpera (por exemplo, o caso de uma segunda austenitização realizada sem revenimento intermediário), não há, substancialmente, carbonetos de cementite presentes na microestrutura inicial, assim, a temperatura mínima de austenitização é, de preferência, menor (por exemplo, cerca de 880°C a cerca de 930°C).

[0024] Essas observações podem ser empregadas para se reduzir a temperatura de austenitização para o refino da microestrutura de aço. Se um revenimento intermediário é executado, carbonetos de cementite podem ser precipitados durante o revenimento, resultando em um aumento da temperatura de austenitização mínima em comparação com o caso ideal da condição de têmpera sem carbonetos de cementite de forma substancial.

[0025] No entanto, durante o processamento industrial, não é possível ou viável executar um duplo procedimento de austenitização e têmpera sem o revenimento intermediária. Por conseguinte, as operações de austenitização, têmpera e revenimento podem ser repetidas em seu lugar. Ao executar um

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12/40 revenimento, reduzir a temperatura de revenimento é desejável a fim de se evitar a precipitação de carbonetos grandes, que necessitam de uma maior temperatura de austenitização para serem dissolvidos. Por esse motivo, a temperatura de revenimento é limitada a menos que cerca de 550°C.

[0026] A composição metálica da presente divulgação, preferencialmente, compreende uma liga de aço que inclua não só carbono (C), mas também manganês (Mn), silício (Si), cromo (Cr), molibdênio (Mo), nióbio (Nb) e alumínio (Al) . Além disso, um ou mais dos seguintes elementos podem estar opcionalmente presentes e/ou serem adicionados: níquel (Ni), vanádio (V), titânio (Ti) e cálcio (Ca). O restante da composição pode incluir ferro (Fe) e impurezas. Em determinadas concretizações, a concentração de impurezas pode ser reduzida a uma quantidade tão baixa quanto possível. Concretizações de impurezas podem incluir, mas não estão limitadas a, enxofre (S), fósforo (P), cobre (Cu), nitrogênio (N), chumbo (Pb), estanho (Sn), arsênio (As), antimônio (Sb) e bismuto (Bi) . Elementos dentro de concretizações da composição de aço podem ser fornecidos como abaixo na Tabela 1, onde as concentrações estão em % em peso, a menos que especificado de outra forma.

TABELA 1 - COMPOSIÇÃO DO AÇO

Elemento	Intervalo de composição (% em peso)	Intervalo de composição preferido (% em peso)
Mínimo	Máximo	Mínimo	Máximo

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C	0,20	0,30	0,24	0,27
Mn	0,30	0,70	0,45	0,55
Si	0,10	0,30	0,20	0,30
S	0	0, 10	0	0, 003
P	0	0, 015	0	0, 010
Cr	0, 90	1,50	0,90	1,0
Mo	0, 60	1,0	0,65	0,70
Ni	0	0,50	0	0, 15
Nb	0,020	0, 040	0,025	0, 030
V	0	0, 005	0	0, 005
Ti	0	0, 010	0	0, 010
Cu	0	0,30	0	0, 15
Al	0,01	0, 04	0,01	0, 04
Ca	0	0, 05	0	0, 05
N	0	0,0080	0, 01	0,0060

[0027] C é um elemento cuja adição à composição de aço, de forma barata, aumenta a tenacidade do aço. Em algumas concretizações, se o teor de C da composição de aço for inferior a cerca de 0,20%, pode ser difícil obter a tenacidade desejada no aço. Por outro lado, em algumas

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14/40 concretizações, se a composição de aço tem um teor de C superior a cerca de 0,30%, a dureza pode ser prejudicada. Portanto, em uma concretização, o teor de C da composição de aço pode variar dentro do intervalo entre cerca de 0,20% a cerca de 0,30%, de preferência dentro do intervalo entre cerca de 0,24% a cerca de 0,27%.

[0028] Mn é um elemento cuja adição à composição de aço pode ser eficaz para aumentar a temperabilidade, a tenacidade e a dureza. Em algumas concretizações, se o teor de Mn da composição de aço for inferior a cerca de 0,30%, pode ser difícil obter a tenacidade desejada no aço. No entanto, em algumas concretizações, se o teor de Mn da composição de aço exceder cerca de 0,7%, estruturas de banda dentro o aço podem se tornar marcadas e a dureza do aço pode diminuir. Nesse sentido, em uma concretização, o teor de Mn da composição de aço pode variar dentro do intervalo entre cerca de 0,30% a cerca de 0,7%, de preferência dentro do intervalo entre cerca de 0,45% a cerca de 0,55%.

[0029] Si é um elemento cuja adição à composição de aço tem um efeito desoxidante durante o processo de fabricação de aço e também aumenta a tenacidade do aço. Em algumas concretizações, se o teor de Si da composição de aço exceder cerca de 0,30%, a dureza e conformabilidade do aço podem diminuir. Portanto, em uma concretização, o teor de Si da composição de aço pode variar dentro do intervalo entre cerca de 0,10% a cerca de 0,30%, de preferência dentro do intervalo entre cerca de 0,20% a cerca de 0,30%.

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[0030]	S	é	um elemento	de	impureza	cuja	presença	na
composição	de	aço causa	a diminuição	da	dureza e	a
trabalhabilidade do aço. Assim,	em algumas	concretizações,	o
teor de	S	da	composição de	aço	é limitado a	menos que	ou
igual a	de	cerca de 0,010%,	de	preferência a	menos que	ou
igual a	de	cerca de 0,003%.
[0031]	P	é	um elemento	de	impureza	cuja	presença	na

composição de aço faz com que a dureza do aço diminua. Assim, em algumas concretizações, o teor de P da composição de aço é limitado a menos que ou igual a de cerca de 0,015%, de preferência a menos que ou igual a cerca de 0,010%.

[0032] Cr é um elemento cuja adição à composição de aço aumenta a temperabilidade e a dureza e revenimento do aço. Portanto, Cr é desejável para se alcançarem altos níveis de dureza. Em uma concretização, se o teor de Cr da composição de aço for inferior a cerca de 0,90%, pode ser difícil obter a tenacidade desejada. Em outras concretizações, se o teor de Cr da composição de aço exceder cerca de 1,50%, pode diminuir a dureza do aço. Portanto, em algumas concretizações, o teor de Cr da composição de aço pode variar dentro do intervalo entre cerca de 0,90% a cerca de 1,50%, de preferência dentro do intervalo entre cerca de 0,90% a cerca de 1,0%.

[0033] Mo é um elemento cuja adição à composição de aço é eficaz no aumento da tenacidade do aço e ainda auxilia no retardamento do amolecimento durante o revenimento. Adições de Mo à composição de aço também podem reduzir a segregação de fósforo para os limites de grão, melhorando a dureza à fissura intergranular. Em uma concretização, se o teor de Mo

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16/40 na composição de aço for inferior a cerca de 0,60%, pode ser difícil obter a tenacidade desejada no aço. No entanto, essa ferroliga é cara, tornando-se desejável reduzir o teor máximo de Mo dentro da composição de aço. Por isso, em algumas concretizações, o teor de Mo dentro da composição de aço pode variar dentro do intervalo entre cerca de 0,60% a cerca de 1,00%, de preferência dentro do intervalo entre cerca de 0,65% a cerca de 0,70%.

[0034] Ni é um elemento cuja adição à composição de aço é opcional e pode aumentar a tenacidade e a dureza do aço. No entanto, Ni é muito caro e, em algumas concretizações, o teor de Ni da composição de aço é limitado a menos do que ou igual a cerca de 0,50%, de preferência igual ou inferior a cerca 0,15%.

[0035] Nb é um elemento cuja adição à composição de aço pode refinar o tamanho de grão austenítico do aço durante a laminação a quente, com o subsequente aumento tanto na tenacidade quanto na dureza. Nb também pode precipitar-se durante o revenimento, aumentando a tenacidade do aço pelo endurecimento da partícula de dispersão. Em uma concretização, se o teor de Nb da composição de aço é menor que cerca de 0,020%, pode ser difícil obter a combinação desejada de tenacidade e dureza. Entretanto, em outras concretizações, se o conteúdo de Nb for maior que cerca de 0,040%, uma distribuição densa de precipitados pode se formar que pode comprometer a dureza da composição de aço. Assim, em uma concretização, o teor de Nb da composição de aço pode variar dentro do intervalo entre cerca de 0,020% a cerca de

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0,040%, de preferência dentro do intervalo entre cerca de 0,025% a cerca de 0,030%.

[0036] V é um elemento cuja adição à composição de aço pode ser usada para aumentar a dureza do aço por precipitações de carboneto durante o revenimento. Entretanto, em certas concretizações, V pode ser omitido da composição de aço. Em uma concretização, quando presente, se o teor de V da composição de aço for maior do que cerca de 0, 005%, uma grande fração de volume de partículas de carboneto de vanádio pode ser formada com uma redução na dureza do aço. Portanto, em algumas concretizações, o teor máximo de V da composição de aço pode ser menor que ou igual a cerca de 0,005%.

[0037] Ti é um elemento cuja adição à composição de aço pode ser usada para refinar o tamanho de grão austenítico. No entanto, em determinadas concretizações, Ti pode ser omitido da composição de aço. Adicionalmente em concretizações da composição de aço quando Ti está presente e em concentrações superiores a cerca de 0,010%, partículas grossas de TiN podem ser conformadas de forma que diminuam a dureza do aço. Portanto, em determinadas concretizações, o teor máximo de Ti da composição de aço pode ser inferior ou igual a cerca de 0,010%.

[0038] Cu é um elemento de impureza que não é exigido em determinadas concretizações da composição de aço. No entanto, dependendo do processo de fabricação do aço, a presença de Cu pode ser inevitável. Assim, em determinadas concretizações, o teor de Cu da composição de aço pode ser limitado a menos do

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18/40 que ou igual a cerca de 0,30%, de preferência menos de ou igual a cerca de 0,15%.

[0039] Al é um elemento cuja adição à composição de aço tem um efeito desoxidante durante o processo de fabricação do aço e refina ainda mais o tamanho de grão do aço. Em uma concretização, se o teor de Al da composição de aço for inferior a cerca de 0,010%, o aço pode ser susceptível à oxidação, apresentando elevados níveis de inclusões. Em outras concretizações, se o teor de Al da composição de aço for superior a cerca de 0,040%, precipitados grosseiros de Al podem ser conformados de modo a diminuírem a dureza do aço. Por conseguinte, o teor de Al da composição de aço pode variar dentro do intervalo entre aproximadamente 0,010% a cerca de 0,040%.

[0040] Ca é um elemento cuja adição à composição de aço é opcional e pode melhorar a dureza modificando o formato de inclusões de sulfeto. Assim, em certas concretizações, o teor mínimo de cálcio do aço pode satisfazer a relação Ca/S > 1,5. Em outras concretizações da composição de aço, o Ca excessivo é desnecessário e a composição de aço pode incluir um teor de Ca de menos de ou igual a cerca de 0,05%.

[0041] Os teores de impurezas inevitáveis, incluindo, mas não se limitando a, S, P, N, Pb, Sn, As, Sb, Bi e similares, são preferencialmente mantidos o mais baixo possível. No entanto, as propriedades mecânicas (por exemplo, tenacidade, dureza) de aços conformados a partir de concretizações das composições de aço da presente divulgação podem não ser substancialmente diminuídas desde que essas impurezas sejam

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19/40 mantidas abaixo dos níveis selecionados. Em uma concretização, o teor de N da composição de aço pode ser inferior ou igual a aproximadamente 0,008%, preferencialmente menor ou igual a cerca de 0,006%. Em outra concretização, o teor de Pb da composição de aço pode ser menor ou igual a cerca de 0,005%. Em uma outra concretização, o teor de Sn da composição de aço pode ser menor ou igual a cerca de 0,02%. Em uma concretização adicional, o teor de As da composição de aço pode ser menor ou igual a cerca de 0,012%. Em outra concretização, o teor de Sb da composição de aço pode ser menor ou igual a cerca de 0,008%. Em uma outra concretização, o teor de Bi da composição de aço pode ser menor ou igual a cerca de 0,003%.

[0042] Em uma concretização, as barras tubulares podem ser conformadas usando-se a composição de aço apresentada acima na Tabela 1. As barras tubulares podem, de preferência, ter uma espessura de parede selecionada dentro do intervalo entre cerca de 4 mm a cerca de 25 mm. Em uma concretização, as barras metálicas tubulares podem ser sem costuras. Em uma implementação alternativa, as barras metálicas tubulares podem conter uma ou mais costuras.

[0043] Concretizações de métodos 100. 120. 140 de produção de barras tubulares metálicas de alta dureza são ilustradas nas Figuras 1A-1C. Pode-se compreender que os métodos 100, 120, 140 podem ser modificados para incluir mais ou menos etapas que as ilustradas nas Figuras 1A-1C sem limitação.

[0044] Com relação à Figura 1A, na operação 102, a composição de aço é conformada e convertida em um tarugo

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20/40 metálico. Na operação 104, o boleto metálico pode estar quente, formada em uma barra tubular. Nas operações de 106 (por exemplo, 106A, 106B, 106C), a barra tubular conformada pode ser submetida a tratamento térmico. Na operação 110, operações de acabamento podem ser executadas na barra.

[0045] A operação 102 do método 100, preferencialmente, compreende a fabricação do metal e a produção de um tarugo de metal sólido capaz de ser perfurado e laminado para formar uma barra tubular metálica. Em uma concretização, o metal pode incluir aço. Em outras concretizações, ferro de sucata selecionada e esponja de aço podem ser empregados para preparar a matéria-prima para a composição de aço. Pode-se entender, no entanto, que outras fontes de ferro e/ou aço podem ser empregadas para a preparação da composição de aço.

[0046] A metalurgia primária pode ser realizada usando-se um forno de arco elétrico para derreter o aço, diminuir o fósforo e outras impurezas, e atingir uma temperatura selecionada. Fundição e desoxidação, e adição de elementos de liga podem ser ainda realizadas.

[0047] Um dos principais objetivos do processo de produção de aço é refinar o ferro pela remoção de impurezas. Em especial, enxofre e fósforo são prejudiciais para o aço porque eles degradam as propriedades mecânicas do aço. Em uma concretização, a metalurgia secundária pode ser realizada em um forno de concha e uma estação de rebarbamento após a metalurgia primária para executar as etapas específicas de purificação.

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21/40 [0048] Durante essas operações, teores muito baixos de enxofre podem ser alcançados dentro do aço, o tratamento de inclusão de cálcio como entendido na técnica da metalurgia pode ser realizado, e a flotação de inclusão pode ser executada. Em uma concretização, a flotação de inclusão pode ser realizada por borbulhamento de gases inertes no forno de concha para forçar as inclusões e as impurezas a flutuarem. Essa técnica pode produzir uma escória fluida capaz de absorver impurezas e inclusões. Dessa forma, pode resultar um aço de alta qualidade contendo a composição desejada com um teor baixo de inclusão. Seguindo-se à produção de escória fluida, o aço pode ser lançado em um tarugo sólido redondo de diâmetro substancialmente uniforme ao longo do eixo de aço.

[0049] O tarugo assim fabricado pode ser conformado em uma barra tubular por meio de processos de conformação térmica 104. Em uma concretização, um tarugo sólido, cilíndrico de aço limpo pode ser aquecido a uma temperatura de cerca de 1.200°C a 1.300°C, de preferência a cerca de 1.250°C. O tarugo pode ser, ainda, sujeito a um laminador. Dentro do laminador, o tarugo pode ser perfurado, em determinadas concretizações preferidas utilizando-se o processo de Manessmann, e a laminação a quente pode ser utilizada para reduzir substancialmente o diâmetro externo e a espessura da parede externa do tubo, enquanto o comprimento é aumentado substancialmente. Em determinadas concretizações, o processo de Manessmann pode ser executado a temperaturas de cerca de 1.200°C. As barras ocas obtidas podem ser, ainda, laminadas a quente em temperaturas dentro do intervalo entre cerca de 1.000°C a cerca de 1.200°C em um laminador contínuo de

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22/40 mandril retido. O exato dimensionamento pode ser feito por um laminador de dimensionamento e os tubos sem costura arrefecidos no ar por volta da temperatura ambiente em um leito de resfriamento.

[0050] Em um exemplo não limitante, uma barra sólida que possui um diâmetro externo dentro do intervalo entre cerca de 145 mm até cerca de 390 mm pode ser conformada a quente, como discutido acima, em um tubo que possui um diâmetro externo dentro do intervalo entre cerca de 39 mm a cerca de 275 mm, e a espessura da parede dentro do intervalo entre cerca de 4 mm a cerca de 25 mm. O comprimento dos tubos pode variar conforme o necessário. Por exemplo, em uma concretização, o comprimento dos tubos pode variar dentro do intervalo entre cerca de 8 m a cerca de 15 m.

[0051] Desta forma, uma barra tubular metálica, com lados retos, tendo uma composição dentro das faixas ilustradas na Tabela 1 pode ser fornecida.

[0052] Nas operações 106A-106C, a barra tubular metálica conformada pode ser sujeita a tratamento térmico. Na operação 106A, uma barra tubular conformada como discutido acima pode ser aquecida de forma a substancialmente austenitizar completamente a microestrutura da barra tubular. Uma barra tubular que é substancialmente completamente austenitizada pode compreender mais que cerca de 99,9% em peso de austenita com base no peso total da barra tubular. A barra tubular pode ser aquecida até uma temperatura máxima selecionada dentro da faixa entre cerca de 880°C e cerca de 950°C. A taxa de aquecimento durante a primeira operação de austenitização

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23/40 pode variar dentro da faixa entre cerca de 15°C/min até cerca de 60°C/min. A barra tubular pode ser aquecida mais até a temperatura máxima por um período dentro da faixa entre cerca de 10 minutos a cerca de 30 minutos.

[0053] Em seguida ao período de espera, a barra tubular pode ser submetida à operação de têmpera 106B. Em uma concretização, o têmpera pode ser realizado utilizando-se um sistema de sprays de água (por exemplo, bocais de têmpera) . Em outra concretização, o têmpera pode ser realizado usando uma piscina de água agitada (por exemplo, tanque) na qual extração de calor adicional é obtida por um jato de água direcionado para o lado interno do tubo. Em qualquer caso, a barra tubular pode ser resfriada a uma taxa entre aproximadamente 15°C/s a 50°C/s até uma temperatura de preferência não maior que 150°C. A microestrutura da composição de aço, após a operação de têmpera 104, compreende pelo menos cerca de 95% de martensita, com o restante da microestrutura compreendendo substancialmente bainita.

[0054] Em seguida às operações de austenitização e têmpera 106A, 106B, a barra tubular pode ser submetida depois a uma operação de revenimento 106C. Durante a operação de revenimento 106C, a barra tubular pode ser aquecida até uma temperatura dentro da faixa entre cerca de 450°C e 550°C. A taxa de aquecimento durante a operação de revenimento 106C pode variar dentro da faixa entre cerca de 15°C/min até cerca de 60°C/min. A barra tubular pode ser aquecida mais até a temperatura máxima por um período dentro da faixa entre cerca de 10 minutos até cerca de 40 minutos. Ao se atingir a temperatura máxima selecionada, a barra tubular pode ser

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24/40 mantida nessa temperatura por um período dentro da faixa entre cerca de 5 minutos a cerca de 30 minutos.

[0055] Devido às baixas temperaturas de revenimento, a microestrutura final da composição de aço após a operação de revenimento 106C compreende martensita um pouco temperada tendo uma distribuição fina de carbonetos. Esta microestrutura está ilustrada nas Figuras 2A-2B. Como ilustrado na Figura 2, a martensita temperada é composta de uma matriz de ferrita (por exemplo, fases cinza escuro) e vários tipos de carbonetos (partículas cinza claro) .

[0056] Com relação à morfologia, foram observados dois tipos de carbonetos presentes na microestrutura, aproximadamente esféricos e alongados. Com relação aos carbonetos esféricos, foi observado que o tamanho máximo (por exemplo, maior dimensão tal como diâmetro) era cerca de 150 nm. Com relação aos carbonetos alongados, foi observado que o tamanho máximo era cerca de 1 pm de comprimento e cerca de 200 nm em espessura.

[0057] O tubo laminado a quente pode ser depois submetido a diferentes operações de acabamento. Exemplos não limitantes destas operações podem incluir cortar o tubo no comprimento e cortar as extremidades do tubo, endireitar o tubo utilizando equipamento de endireitamento rotativo, se necessário, e ensaios não destrutivos por uma pluralidade de diferentes técnicas, tais como ensaios eletromagnéticos ou ensaios com ultrassom. Em uma concretização, as barras tubulares podem ser endireitadas em uma temperatura não inferior à

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25/40 temperatura de têmpera reduzida em 50°C e então resfriadas em ar até a temperatura ambiente em um leito de resfriamento.

[0058] Vantajosamente, tubos de aço sem costura obtidos de acordo com as concretizações do método 100 discutidas acima podem ser empregados em aplicações incluindo, mas não limitadas a, transportadores de pistolas de perfuração na indústria de petróleo e gás. Conforme discutido em maiores detalhes a seguir, ensaios mecânicos estabeleceram que as concretizações dos tubos de aço exibem uma tensão limite de escoamento de cerca de 165 ksi (medida de acordo com ASTM E8, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, que é incorporado aqui por referência integralmente) e uma energia Charpy de entalhe em V a temperatura ambiente, medida de acordo com ASTM E23 (Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials, que é incorporado aqui por referência integralmente) de pelo menos cerca de 80 Joules/cm² para amostras tomadas na direção LC e pelo menos cerca de 60 Joules/cm² para amostras tomadas na direção CL.

[0059] A boa combinação de tenacidade e dureza obtida em concretizações da composição de aço é atribuída, pelo menos em parte, à combinação da composição de aço e à microestrutura. Em um aspecto, o tamanho relativamente pequeno dos carbonetos (por exemplo, carbonetos esféricos menores ou iguais a cerca de 150 nm e/ou carbonetos alongados de cerca de 1pm ou menos comprimento e cerca de 200 nm ou menos em espessura) aumenta a tenacidade da composição de aço pelo endurecimento da partícula de dispersão sem prejudicar

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26/40 fortemente a dureza. Por outro lado, grandes carbonetos podem facilmente nuclear fissuras.

[0060] Em concretizações alternativas, um dos métodos 120 ou 140 como ilustrado nas Figuras 1B e 1C podem ser empregados para fabricar tubos de aço sem costura quando o aumento na tenacidade é desejado. Os métodos 120 e 140 diferem entre si e do método 100 pelas operações de tratamento térmico realizadas no tubo de aço sem costura. Conforme discutido em maiores detalhes abaixo, as concretizações das operações de tratamento térmico 126 (do método 120) compreendem operações repetidas de austenitização e têmpera, seguidas por revenimento. Concretizações de operações de tratamento térmico 146 (do método 140) compreendem sequências repetidas de austenitização, têmpera e revenimento. Em outros aspectos, as operações de fabricação do metal e moldagem, conformação a quente e acabamento dos métodos 100. 120 e 140 são substancialmente as mesmas.

[0061] Com relação ao método 120, o tratamento térmico 126 pode compreender uma primeira operação de austenitização /têmpera 12 6A que pode incluir o aquecimento e o têmpera de uma barra tubular conformada, como discutido acima, no intervalo austenítico. As condições sob as quais a austenitização é executada durante a primeira operação de austenitização/têmpera 126A podem ser designadas como A1. As condições sob as quais o têmpera é realizado durante a primeira operação de austenitização/têmpera 166A podem ser designadas como Q1.

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27/40 [0062] Em uma concretização, os parâmetros de primeira austenitização e têmpera A1 e Q1 são selecionados de modo que a microestrutura da barra tubular, depois de submetida à primeira operação de austenitização/têmpera 126A, compreenda, pelo menos, cerca de 95% de martensita com o restante incluindo substancialmente apenas bainita. Em outras concretizações, os parâmetros de primeira austenitização e têmpera A1 e Q1 também podem produzir uma microestrutura que esteja substancialmente isenta de carbonetos. Em determinadas concretizações, uma microestrutura que esteja substancialmente isento de carbonetos pode incluir uma concentração total de carbonetos de menos que aproximadamente 0,01% em peso com base no peso total de carbonetos da barra tubular. Em outras concretizações, o tamanho médio de grão da barra tubular depois das primeiras operações de austenitização e têmpera 126A pode cair dentro do intervalo entre aproximadamente 10 pm a aproximadamente 30 pm.

[0063] Em uma concretização, os parâmetros de primeira austenitização A1 podem ser selecionados de modo a, substancialmente, austenitizar totalmente a microestrutura da barra tubular. Uma barra tubular que é substancialmente totalmente austenizada pode incluir mais que aproximadamente 99,9% em peso de austenita com base no peso total da barra tubular. A barra tubular pode ser aquecida até uma temperatura máxima selecionada dentro do intervalo entre cerca de 900°C a cerca de 950°C. A taxa de aquecimento durante a primeira operação de austenitização 126A pode variar dentro do intervalo entre cerca de 30°C/min a cerca de 90°C/min. A barra tubular pode ser aquecida mais até a

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28/40 temperatura máxima por um período dentro da faixa de entre cerca de 10 minutos a cerca de 30 minutos.

[0064] A barra tubular pode ser, posteriormente, mantida à temperatura máxima selecionada por um tempo de espera selecionado dentro do intervalo entre cerca de 10 minutos a cerca de 30 minutos. As temperaturas de austenitização relativamente baixas empregadas em concretizações dos tratamentos térmicos revelados, dentro do intervalo entre cerca de 900°C a cerca de 950°C, são utilizadas para conter o crescimento de grãos, tanto quanto possível, promovendo o refinamento microestrutural que pode dar origem a melhorias na dureza. Para essas temperaturas de austenitização, o intervalo de temperatura de austenitização de cerca de 900°C até cerca de 950°C também é suficiente para substancialmente fornecer a completa dissolução dos carbonetos de cementite. Dentro desse intervalo de temperatura, a completa dissolução dos carbonetos ricos em Nb e Ti, mesmo quando se usam tempos de espera extremamente grandes, geralmente não é alcançada. Os carbonetos de cementite, que são maiores do que os carbonetos de Nb e Ti, podem prejudicar a dureza e reduzir a tenacidade pela retenção de carbono.

[0065] Seguindo-se ao período de espera, a barra tubular pode ser submetida a têmpera. Em uma concretização, o têmpera durante as operações de austenitização/têmpera 126A pode ser executado por um sistema de sprays de água (por exemplo, bocais de têmpera). Em outra concretização, o têmpera pode ser executado usando-se uma piscina de água agitada (por exemplo, tanque) em que a extração térmica adicional é obtida por um jato de água dirigido para o lado interno do tubo.

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29/40 [0066] As concretizações dos parâmetros de têmpera Q1 são as seguintes. A barra tubular pode ser arrefecida a uma taxa entre aproximadamente 15°C/s a 50°C/s a uma temperatura, de preferência, não maior que cerca de 150°C.

[0067] A segunda operação de austenitização/têmpera 126B pode incluir o aquecimento e o têmpera da barra tubular conformada, como discutido acima, no intervalo austenítico. As condições sob as quais a austenitização é realizada durante a segunda operação de austenitização/resfriamento ráplido 126A podem ser designadas como A2. As condições sob as quais o têmpera é realizado durante a segunda operação de austenitização/têmpera 126A podem ser designadas como Q2.

[0068] Em uma concretização, os parâmetros de segunda austenitização e têmpera A2 e Q2 podem ser selecionados de modo que a microestrutura da barra tubular depois de submetida à segunda operação de austenitização/têmpera 126B compreenda, pelo menos, cerca de 95% de martensita. Em outras concretizações, os parâmetros de austenitização e têmpera A2 e Q2 podem também produzir uma microestrutura que também esteja substancialmente isenta de carbonetos.

[0069] Em concretizações adicionais, o tamanho médio de grão da barra tubular após as segundas operações de austenitização/têmpera 126B pode ser menor do que o obtido após as primeiras operações de austenitização e têmpera 126A. Por exemplo, o tamanho de grão do tubo após as segundas operações de austenitização/têmpera 126B pode cair dentro do intervalo entre cerca de 5 pm a cerca de 15 pm. Esse

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30/40 refinamento microestrutural pode melhorar a tenacidade e/ou a dureza da barra tubular.

[0070] Em uma concretização, os segundos parâmetros de austenitização A2 são os seguintes. A barra tubular pode ser aquecida até uma temperatura de austenitização máxima menor do que a empregada nas primeiras operações de austenitização/têmpera 126A para refinar mais o tamanho de grão da microestrutura. A operação de segunda austenitização A2 aproveita a dissolução de carbonetos alcançada durante as primeiras operações de austenitização/têmpera 106A (A1/Q1). Como substancialmente todos os carbonetos de ferro (por exemplo, partículas de cementite) são dissolvidos na microestrutura após as primeiras operações de austenitização e têmpera 126, temperaturas de austenitização mais baixas podem ser usadas durante as segundas operações de austenitização e têmpera 126B com redução de agente no tamanho de grão (refinamento de grão). Em uma concretização, a segunda operação de austenitização A2 pode ser efetuada a uma temperatura selecionada dentro do intervalo entre cerca de 880°C a cerca de 930°C. A taxa de aquecimento durante a segunda operação de austenitização A2 pode variar dentro do intervalo entre cerca de 15°C/min a cerca de 60°C/min. A barra tubular pode ser posteriormente mantida à temperatura máxima selecionada para um tempo de espera selecionado dentro do intervalo entre cerca de 10 a cerca de 30 minutos.

[0071] Seguindo-se ao período de espera, a barra tubular pode ser submetida a têmpera Q2. Em uma concretização, a têmpera durante as operações de austenitização/têmpera 126B pode ser executada por um sistema de sprays de água (por

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31/40 exemplo, bocais de têmpera). Em outra concretização, o têmpera pode ser executado usando-se uma piscina de água agitada (por exemplo, tanque) em que a extração térmica adicional é obtida por um jato de água dirigido para o lado interno do tubo.

[0072] As concretizações dos parâmetros de têmpera Q2 são as seguintes. A barra tubular pode ser arrefecida a uma taxa entre aproximadamente 15°C/s a cerca de 50°C/s a uma temperatura, de preferência, não maior que cerca de 150°C.

[0073] Em seguida às operações de primeira e segunda austenitização/têmpera 126A, 126B, a barra tubular pode ser sujeita depois a uma operação de revenimento 126C, também referida aqui como (T) . Durante a operação de revenimento 126C, a barra tubular pode ser aquecida a uma temperatura dentro da faixa entre cerca de 450°C e cerca de 550°C. A taxa de aquecimento durante a operação de revenimento 106C pode variar dentro da faixa entre cerca de 15°C/min a cerca de 60°C/min. A barra tubular pode ser aquecida, ainda, até a temperatura máxima durante um tempo na faixa entre cerca de 10 minutos a cerca de 40 minutos. Ao se alcançar a temperatura máxima selecionada, a barra tubular pode ser mantida nesta temperatura por um período dentro da faixa entre cerca de 5 minutos a cerca de 30 minutos.

[0074] As barras tubulares também podem ser sujeitas a operações de acabamento 130. Exemplos de operações de acabamento 130 podem incluir, mas não estão limitadas a, endireitamento. O endireitamento pode ser realizado a uma temperatura não menor que a temperatura de têmpera reduzida

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32/40 em 50°C. Subsequentemente o tubo endireitado pode ser resfriado em ar até a temperatura ambiente em um leito de resfriamento.

[0075] Em uma concretização alternativa, a barra tubular conformada pode ser submetida ao método 140 que emprega operações de tratamento térmico 146C. Nas operações de tratamento térmico 146C, as primeiras operações de austenitização e têmpera 146A (A1) e (Q1) são seguidas por uma primeira operação de revenimento 146B (T1), por segundas operações de austenitização e têmpera 146C (A2) e (Q2) e segunda operação de revenimento 146D (T2) . A primeira e a segunda operação de austenitização e têmpera 146A e 146C podem ser realizadas, como discutido acima, em relação às primeira e segunda operações de austenitização e têmpera 126A e 126B. A primeira (T1) e a segunda (T2) operações de revenimento 146B e 146D também podem ser executadas, como discutido acima, em relação à primeira operação de revenimento 106C.

[0076] A microestrutura resultante dos métodos 120 e 140 pode ser semelhante àquela resultante do método 100. Por exemplo, em uma concretização após as operações de primeira austenitização e têmpera 126A e 146A, o tamanho de grão médio pode variar na faixa de entre cerca de 10 pm até cerca de 30 pm. Em outra concretização, depois das operações de segunda austenitização e têmpera 126C e 146C, o tamanho de grão médio pode variar dentro da faixa de cerca de 5 pm a cerca de 15 pm. Em outras concretizações uma distribuição fina de carbonetos pode estar presente dentro da microestrutura após as operações de revenimento 126C, 146D. Por exemplo,

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33/40 carbonetos esféricos e alongados podem estar presentes na microestrutura, com o tamanho máximo de partículas esféricas sendo menor que ou igual a cerca de 150 nm e o tamanho máximo de carbonetos alongados sendo menor que ou igual a cerca de 1 pm no comprimento e menor que ou igual a cerca de 200 nm em espessura.

[0077] Vantajosamente, os tubos de aço sem costura e os tubos conformados de acordo com as concretizações dos métodos 120 e 140 podem ser úteis para aplicações incluindo, mas não limitadas a, transportadores de pistolas de perfuração na indústria de petróleo e gás. Por exemplo, em uma concretização, as barras tubulares e os tubos conformados de concretizações da composição de aço podem apresentar uma tensão limite de escoamento de, pelo menos, cerca de 170 ksi (aproximadamente 1.172 MPa), como medido de acordo com o padrão ASTM E8. Em outra concretização, as barras tubulares e os tubos conformados de concretizações da composição de aço podem apresentar as energias de impacto de Charpy de entalhe em V à temperatura superior a cerca de 80 J/cm² na direção LC e cerca de 60 J/cm² na direção CL, como medidas de acordo com o padrão ASTM E23. Esta boa combinação de propriedades é devida, pelo menos em parte, ao tamanho de grão refinado e tamanho relativamente pequeno dos carbonetos dentro da microestrutura.

[0078] Beneficamente, em certas concretizações, estes resultados podem ser alcançados sem adição de vanádio. Vanádio é conhecido por aumentar a tenacidade por precipitação de carbonetos durante o revenimento, mas pode comprometer a dureza.

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34/40

EXEMPLOS [0079] Nos exemplos a seguir, as propriedades de tração e impacto de tubos de aço conformados usando-se concretizações do método de metalurgia discutido acima são ilustradas. Os tubos de aço conformados foram testados depois de tratamentos térmicos de austenitização, têmpera e revenimento (A + Q + T) (Condições 1 e 2), austenitização dupla e têmpera (A1+Q1+A2+Q2+T) seguidos de revenimento (Condição 3). Os tubos de aço testados possuíam um diâmetro externo de cerca de 114,3 mm e uma espessura de parede de aproximadamente 8,31 mm, a menos que indicado de outra forma. Experimentos foram realizados em amostras tendo aproximadamente a composição e os tratamentos térmicos das Tabelas 2 e 3, respectivamente.

TABELA 2 - COMPOSIÇÃO DE ESPÉCIMES DE AMOSTRA

Calor	C	Mn	Si	Cr	Mo	Ni	Nb
A	0,25	0,47	0,25	0, 94	0, 67	0,016	0, 028
B	0,25	0,49	0,25	0, 95	0,70	0, 051	0, 027
Calor	Cu	S	P	Al	Ti	V	N
A	0, 029	0, 001	0, 008	0, 027	0, 001	0, 001	0,0035
B	0, 056	0, 001	0, 008	0, 016	0, 001	0, 001	0,0039

TABELA 3 - TRATAMENTOS TÉRMICOS DE ESPÉCIMES DE AMOSTRA

Condição

Calor

Tratamento

A1

A2 (°C)

T (°C)

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		Térmico	(°C)
1	A	Único	880	-	460
2	B	Único	910	-	460
3	B	Austenitização dupla	910	890	460

[0080] As medições das propriedades de tenacidade e impacto foram realizadas em entre 3 a 5 tubos para cada condição. Para cada tubo, foram realizados testes de tração em duplicado e testes de impacto foram realizados em triplicado por volta da temperatura ambiente. Pode-se entender que os exemplos apresentados abaixo são para fins ilustrativos e não têm a intenção de limitar o escopo da presente divulgação.

Exemplo 1 - Propriedades de tração e energias de impacto à temperatura ambiente [0081] A tenacidade e o alongamento dos aços tendo as composições indicadas acima nas Tabelas 2 e 3 foram medidos de acordo com o padrão ASTM E8 à temperatura ambiente. As energias de Charpy dos aços das Tabelas 2 e 3 foram medidas de acordo com o padrão ASTM E23 por volta da temperatura ambiente e representam uma medida de dureza dos materiais. Os testes de Charpy foram realizados em amostras com dimensões de aproximadamente 10 x 7,5 x 55 mm retiradas longitudinalmente (LC) dos tubos. A média de dureza à tração, a tensão limite de escoamento, o alongamento e as energias de

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Charpy de entalhe em V (CVN) medidos para cada condição são relatados na Tabela 4 e valores médios por tubo são reportados na Figura 3.

TABELA 4 - TRAÇÃO MÉDIA PROPRIEDADES DE IMPACTO

Condição	YS (ksi)	UTS (ksi)	YS/UTS	El (%)	CVN/cm² (Joules)
1	172 ± 3	182 ± 3	0,95	14 ± 3	91 ± 5
2	176 ± 2	188 ± 2	0,93	14 ± 1	92 ± 5
3	180 ± 2	189 ± 1	0, 95	13 ± 2	97 ± 5

[0082] Para cada uma das condições testadas, a tensão limite de escoamento foi observada para ser maior do que ou igual a cerca de 165 ksi e a tensão de rotura à tração foi observada para ser maior ou igual a aproximadamente 170 ksi. O alongamento à falha para cada uma das condições testadas ainda foi encontrado para ser maior ou igual a cerca de 10%. Em outras concretizações, foi observado que a tensão limite de escoamento foi maior que cerca de 170 ksi, foi observado que a tensão de rotura à tração foi maior que ou igual a cerca de 180 ksi, e verificou-se que o alongamento à falha foi maior que ou igual a cerca de 13%. Em certas concretizações, as energias de impacto de Charpy de entalhe em V medidas por volta da temperatura ambiente foram maiores que aproximadamente 65 J/cm² para cada uma das condições testadas. Em outras concretizações, as energias Charpy a

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37/40 temperatura ambiente foram maiores que ou igual a cerca de 90 J / cm².

[0083] A melhor combinação de propriedades de tração e a dureza foi observada para a condição 3, que correspondia à dupla austenitização. Essa condição apresentou os maiores tensão limite de escoamento (aproximadamente 189 ksi) e CVN à temperatura ambiente (cerca de 97 J/cm²) . A melhoria na tensão limite de escoamento e a dureza é atribuída ao refinamento microestrutural alcançado pelas operações de dupla austenitização/têmpera.

Exemplo 2 - Estudos complementares de energia de impacto

Investigações de energia de impacto adicionais foram realizadas em amostras de tubo de aço conformados de acordo com a condição 1 de cerca de -60°C até por volta da temperatura ambiente com o objetivo de identificar temperatura de transição dúctil frágil das composições de amostras nas aço. Para essas medições, foram colhidas

direções longitudinal (	LC)	e transversal	(CL)	. Os testes	de
Charpy foram	realizados	em amostras	com	dimensões	de
aproximadamente	10 x	7,5	x 55 mm no	sentido LC e	de
aproximadamente	10 x 5	x 55	mm no sentido	CL.	As energias	de
Charpy de entalhe em	V	médias para	cada	condição	são

relatadas na Tabela 5.

TABELA 5 - DUREZA MÉDIA DAS AMOSTRAS DA CONDIÇÃO 2

Tamanho/Orientação

T (°C)

CVN(J)

CVN(J/cm²)

Área Dúctil(%)

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10 x 7,5 x 55 LC	RT	71(73, 71, 73) (73, 72, 75)	95	100(100, 100, 100) (100, 100, 100)
0	64(66, 65, 60)	85	94(97, 94, 90)
-20	48(52, 41, 51)	64	71(74, 64, 76)
-40	34(31, 38, 33)	45	44(38, 50, 45)
-60	27(30, 26, 28) (29, 28, 24)	36	32 (33, 30, 32) (35, 33, 27)

10 x 5 x 55 CL	RT	37(36, 37, 37) (37, 37, 35)	74	100(100, 100, 100)(100, 100, 100)
0	38(36, 39, 39)	76	100(100, 100, 100)
-20	30(31, 31, 28)	60	100(100, 100, 100)
-40	25(21, 23, 32)	50	75(73, 65, 91)
-60	15(17, 16,	30	31(40, 34, 34) (27,

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15)(13, 14, 12)

30, 18)

[0085] Conforme ilustrado na Tabela 5, as amostras de LC Charpy por volta da temperatura ambiente (RT) apresentaram energias maiores que cerca de 80 J/cm² e aproximadamente 100% de fissura dúctil, como observado da superfície de fissura. As amostras de CL Charpy apresentaram energias de mais que cerca de 60 J/cm² e aproximadamente 100% de fratura dúctil. Como a temperatura de ensaio diminuiu de por volta da temperatura ambiente para cerca de -60°C, as energias de LC e CL Charpy caíram para cerca de metade para aproximadamente 30 - 36 J/cm². Simultaneamente, a parte da superfície de fissura submetida a uma fissura dúctil diminuiu por aproximadamente dois terços em cada geometria.

[0086] Dos resultados, pode-se observar que a temperatura de transformação dúctil para frágil (DBTT) está entre -20°C e -40°C para amostras orientadas longitudinalmente devido à grande redução na área dúctil observada entre cerca de -20°C e cerca de -40°C na orientação LC (de cerca de 71% a cerca de 44%). Pode-se observar ainda que a DBTT está entre cerca de 40°C e -60°C para amostras orientadas transversalmente (CL) devido à grande redução na área dúctil observada entre cerca de -40°C e cerca de -60°C (de cerca de 75% a cerca de 31%).

[0087] Embora a descrição precedente tenha mostrado, descrito e apontado as características inovadoras fundamentais dos presentes ensinamentos, deverá ser entendido que várias omissões, substituições e alterações na forma de

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40/40 detalhe do aparelho conforme ilustrado, bem como as suas utilizações, podem ser feitas por aqueles qualificados no estado da técnica sem se afastarem do escopo de aplicação dos presentes ensinamentos. Por conseguinte, o escopo dos presentes ensinamentos não deve ser limitado à discussão precedente, mas deve ser definido pelas reivindicações anexas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Tubo de aço caracterizado por compreender:

0, 20 % em peso até 0, 30 o. % em peso de carbono; 0, 30 o. % em peso até 0, 70 o. % em peso de manganês; 0, 10 o. % em peso até 0, 30 o. % em peso de silício; 0, 90 o. % em peso até 1, 50 o. % em peso de cromo; 0, 60 o. % em peso até 1, 00 o. % em peso de molibdênio;

0,020 % em peso até 0,040 % em peso de nióbio; e

0,01 % em peso até 0, 04 % em peso de alumínio; e ainda compreender pelo menos um de: igual ou menos do que 0,50 % em peso de níquel; igual ou menos do que 0,005 % em peso de vanádio; igual ou menos do que 0,010 % em peso de titânio; igual ou menos do que 0, 05 % em peso de cálcio;

em que o tubo de aço é processado para ter uma tensão limite de escoamento maior que 1138,5 MPa e em que a energia Charpy com entalhe em V é maior ou igual a 80 J/cm² na direção longitudinal e maior ou igual a cerca de 60 J/cm² na direção transversal à temperatura ambiente.
2. Tubo de aço de acordo com a reivindicação

1, caracterizado por compreender ainda:

0, 24 % em peso até 0, 27 o. % em peso de carbono; 0, 45 o. % em peso até 0, 55 o. % em peso de manganês; 0, 20 o. % em peso até 0, 30 o. % em peso de silício;

até

0, 90 em peso %

1,0 % em peso de cromo;

0,65

o.

% em peso até

0,70 % em peso de molibdênio; e

0,025 % em peso até 0,030 % em peso de nióbio.

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3. Tubo de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a resistência à tração do tubo de aço é maior que 1173 MPa.
4. Tubo de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tubo de aço exibe fratura 100% dúctil à temperatura ambiente.
5. Tubo de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a microestrutura do tubo de aço compreende mais que ou igual a 95% de martensita em volume.
6. Tubo de aço de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o restante da microestrutura consiste em bainita.
7. Tubo de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tubo de aço tem uma pluralidade de carbonetos aproximadamente esféricos tendo uma maior dimensão de menos que ou igual a 150 pm.
8. Tubo de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tubo de aço tem uma pluralidade de carbonetos alongados tendo um comprimento menor ou igual a cerca de 1 pm e uma espessura menor ou igual a 200 nm.
9. Tubo de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tubo de aço tem um tamanho de grão médio entre 5 pm e 15 pm.

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10. Método para a produção de um tubo de aço, caracterizado por compreender:

providenciar uma composição de aço carbono conforme definido na reivindicação 1;

conformar a composição de aço em um tubo;

aquecer o tubo de aço conformado em uma primeira operação de aquecimento até uma primeira temperatura;

temperar o tubo de aço conformado em uma primeira operação de têmpera a partir da primeira temperatura a uma primeira taxa de tal forma que a microestrutura do aço temperado tenha mais que ou igual a 95% de martensita em volume;

revenir o tubo de aço conformado em uma primeira operação de revenimento após a primeira operação de tempêra através do aquecimento do tubo de aço conformado até uma segunda temperatura menor que 550°C;

em que o tubo de aço após o revenimento possui uma tensão limite de escoamento maior que 1138,5 MPa e em que a energia Charpy com entalhe em V é maior ou igual a 80 J/cm2 na direção longitudinal e 60 J/cm2 na direção transversal à temperatura ambiente.
11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a primeira temperatura está entre 880°C e 950°C por 10 a 30 minutos.

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12. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a segunda temperatura está entre 450°C e 550°C por 5 a 30 minutos.
13. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o tamanho de grão do tubo de aço conformado após a tempêra está entre 5 e 15 pm.
14. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a microestrutura do tubo de aço compreende uma pluralidade de carbonetos aproximadamente esféricos tendo uma maior dimensão de menos que ou igual a 150 pm após o revenimento.
15. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a microestrutura do tubo de aço compreende uma pluralidade de carbonetos alongados tendo um comprimento menor ou igual a 1 pm e uma espessura menor ou igual de 200 nm após o revenimento.
16. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a primeira taxa de têmpera está entre 15°C/s e 50°C/s.
17. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o restante da microestrutura consiste em bainita após a primeira operação de têmpera.
18. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que após a primeira operação de têmpera e antes da primeira operação de revenimento, o tubo de aço conformado

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5/5 passa por uma segunda operação de aquecimento e uma segunda operação de têmpera.
19. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que após a primeira operação de revenimento, o tubo de aço conformado passa por uma segunda operação de aquecimento, uma segunda operação de têmpera e uma segunda operação de revenimento.