ES2227408T3 - Procedimiento para producir tubos de acero de alta resistencia. - Google Patents
Procedimiento para producir tubos de acero de alta resistencia.Info
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Abstract
Procedimiento para producir una tubería de acero que presenta una microestructura que comprende martensita y/o bainita en una cantidad de por lo menos un 80% expresados en términos de porcentaje de área, y que presenta un límite de elasticidad no inferior a 551 MPa, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de conformar y soldar una placa de acero en una tubería de acero, y expandir la tubería de acero, caracterizado en que dicha etapa de expansión comprende expandir la tubería de acero en un 0, 3 a un 1, 2% y en que dicho procedimiento comprende, además, la etapa de reducir la tubería de acero expandida en un 0, 1 a un 1, 0%.
Description
Procedimiento para producir tubos de acero de
alta resistencia.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para producir tubos de acero de alta resistencia que
consiste principalmente en una microestructura martensítica y/o
bainítica y puede utilizarse como tubería de línea de alta
resistencia de calidad APIX80 o superior. Las tuberías de acero
producidas mediante este procedimiento presentan una baja relación
entre el límite de elasticidad y la resistencia a la tracción y una
elevada redondez o circularidad a pesar de su superior
resistencia.
Estas tuberías de acero, producidas actualmente
mediante el proceso UOE y utilizadas en tuberías prácticas, son de
una calidad de hasta API X70. El uso práctico de tuberías de acero
de calidad API X80 sólo se encuentra en unos pocos casos en el
mundo. Esto es debido al hecho de que las tuberías de acero de alta
resistencia de calidad X80 o superior llegan a presentar elevada
relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a la
tracción y es difícil conseguir un relación entre el límite de
elasticidad y la resistencia a la tracción no mayor que el límite de
tolerancia prescrito en la especificación API pertinente, y porque
resulta tecnológicamente difícil establecer características básicas
de tuberías, incluyendo la resistencia, la dureza, etc. Además, para
disponer tuberías de acero de calidad X80 o superior en uso
práctico, se requiere una evaluación de la seguridad de dicho acero
de alta resistencia en la aplicación real en tuberías.
Sin embargo, para mejorar la eficacia del
transporte, es necesario mejorar la resistencia de las tuberías de
línea y realizar el transporte bajo una presión elevada. En los
últimos años ha habido una demanda de tuberías de acero de alta
resistencia de una calidad de hasta X100 o mayor.
Según el API (American Petroleum Institute), un
acero de calidad X60 debe presentar un límite de elasticidad 60 ksi
(413 MPa) o superior. Una calidad X80 significa 80 ksi (551 MPa) o
superior, y una calidad X100 significa 100 ksi (689 MPa) o superior.
En la actualidad, la especificación API establece aceros de calidad
hasta X80. El término "tubería de acero de alta resistencia",
tal como que se utiliza aquí, significa una tubería de acero de X80
o superior.
Las tuberías de acero de alta resistencia
producidas mediante el proceso UOE se encuentran con nuevos
problemas con los que no se habían encontrado las tuberías de acero
de bajo resistencia. Uno de ellos es el aumento de la relación entre
el límite de elasticidad y la resistencia a la tracción.
Para las tuberías de línea se prescribe, por
motivos de seguridad, que la relación entre el límite de elasticidad
y la resistencia a la tracción, es decir, el valor "(límite de
elasticidad/resistencia a la tracción) x 100 (%)", no tiene que
ser mayor de un 93%. Las tuberías de acero de baja resistencia
pueden cumplir este requisito con facilidad (que la relación entre
el límite de elasticidad y la resistencia a la tracción no sea
superior a un 93%). En el caso de tuberías de acero de alta
resistencia que consisten principalmente en martensita y/o bainita
resulta difícil, sin embargo, conseguir una relación entre el límite
de elasticidad y la resistencia a la tracción que no sea superior a
un 93%, ya que el aumento del límite de elasticidad debido al
endurecimiento por deformación en frío es importante.
En el proceso UOE, las tuberías producidas son
sometidas a la etapa de expansión. Los principales objetivos de la
expansión son regular la forma y la configuración, típicamente la
redondez o circularidad, y eliminar la tensión residual que se
produce al soldar. Sin embargo, esta expansión produce un aumento
del límite de elasticidad, y por lo tanto un aumento en la relación
entre el límite de elasticidad y la resistencia a la tracción. Esta
tendencia es más notable en las tuberías de acero de alta
resistencia, las cuales consisten principalmente en una estructura
martensítica o bainítica, que en las tuberías de acero de baja
resistencia, las cuales presentan una estructura
ferrita-bainita o
ferrita-perlita.
En la solicitud de Patente japonesa puesta a
disposición del público nº (JP-A)
H09-1233 o en la patente americana nº 5.794.840 se
describe un procedimiento para regular las características de
tuberías de acero en la producción de tuberías de acero a través del
proceso U0E convencional. El procedimiento comprende realizar una
expansión en frío y una reducción en frío en combinación. Sin
embargo, tal como es evidente a partir de los ejemplos descritos en
la publicación citada anteriormente, el objetivo de este
procedimiento es una tubería de calidad X70. De acuerdo con la
reivindicación 2, la reducción de hasta un 2% sigue con la expansión
en hasta un 4% y, de acuerdo con la reivindicación 3, la expansión
de la tubería hasta un 2% seguido de una reducción hasta un 4%.
Entre los procedimientos anteriores, el
procedimiento en el que la expansión de la tubería se lleva a cabo
tras la reducción, cuando se aplica a tuberías de acero de alta
resistencia, provoca un aumento en la relación entre el límite de
elasticidad y la resistencia a la tracción, dando lugar que no se
consiga cumplir con el requisito citado anteriormente (que no sea
superior a un 93%). En cuanto al procedimiento en el que la
reducción de la tubería sigue a la expansión, por otra parte, la
aplicación de este alto grado de expansión de la tubería, tal como
un 2%, y este alto grado de reducción, tal como un 4%, cuando se
aplica a tuberías de acero de alta resistencia, produce una marcada
disminución de la dureza de las tuberías de acero.
Además, la patente nº
US-A-5900075 describe un
procedimiento para producir una tubería de acero que presenta una
microestructura formada por martensita y/o bainita con cantidades de
por lo menos un 80% expresado en términos de porcentaje de área, y
presentando un límite de elasticidad no inferior a 551 Mpa. El
procedimiento comprende las etapas de formar y soldar una placa de
acero en una tubería de acero y expandir la tubería de acero.
Alternativamente, la patente nº
US-A-5.794.840 describe un
procedimiento que consiste primero en expandir y después reducir la
tubería de acero que tiene una estructura y un comportamiento
diferente al de la presente invención.
En resumen, la invención descrita en
JP-A H09-1233 o en la patente
americana nº 5.794.840 no tratan de un procedimiento para producir
tuberías de acero de alta resistencia que consiste principalmente en
una microestructura martensítica y/o bainítica. La citada
publicación no menciona nada acerca de cómo mantener la relación
entre el límite de elasticidad y la resistencia a la tracción de
tuberías de acero de alta resistencia en unos niveles bajos o
conseguir la redondez de las mismas.
Las influencias de la expansión y la reducción de
la tubería en las propiedades mecánicas de las tuberías de acero
varían en función de la estructura metalográfica de las tuberías.
Por esta razón, las influencias de la expansión y la reducción de la
tubería sobre tuberías de acero de baja resistencia que tienen una
estructura ferrita-bainita o
ferrita-perlita y aquellas sobre tuberías de acero
de alta resistencia que consisten principalmente en una estructura
martensítica y/o del bainítica deben estudiarse separadamente.
Actualmente no existen conclusiones acerca del
proceso productivo en el cual pueda resolverse el problema de que la
relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a la
tracción de tuberías de acero de alta resistencia llega a ser
excesivamente elevada. Un objetivo de la presente invención es
disponer un procedimiento para producir tuberías de acero mediante
el cual pueda resolverse el problema citado anteriormente de una
elevada relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a
la tracción intrínseco en tuberías de acero de alta resistencia y,
al mismo tiempo, pueda conseguirse la redondez de las tuberías.
La presente invención consiste en el siguiente
procedimiento de producción de tuberías de acero especificadas bajo
el punto (1). Además, bajo el punto (2) y (3) se especifican
realizaciones preferidas de la invención.
(1) Un procedimiento para producir una tubería de
acero que tiene una microestructura de por lo menos un 80%, tal como
se expresa en términos de porcentaje de área, que comprende
martensita y/o bainita y que presenta un límite de elasticidad no
inferior a 551 MPa; comprendiendo una etapa de formar y soldar una
placa de acero en una tubería de acero, expandir la tubería de acero
en un 0,3 a un 1,2%, y reducir después la tubería de acero extendida
en un 0,1 a un 1,0%. El porcentaje de expansión o porcentaje de
reducción significa el valor obtenido dividiendo la diferencia entre
la longitud circunferencial de la tubería, después de la expansión o
reducción, y la de antes de la expansión o reducción, por la
longitud circunferencial de la tubería antes de la expansión o
reducción, respectivamente, y multiplicando el cociente por 100.
(2) Un procedimiento para producir una tubería de
acero tal como se ha especificado anteriormente, en el que el
porcentaje de reducción es menor que el porcentaje de expansión.
(3) Un procedimiento para producir una tubería de
acero tal como se ha especificado anteriormente, en el que la
tubería de acero tras la expansión y la reducción presenta un límite
de elasticidad no inferior a 689 MPa.
La figura nº 1 es una representación gráfica de
la relación entre la resistencia a la tracción de un acero y la
relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a la
tracción del mismo la cual depende de la forma de las probetas del
ensayo de tracción.
La figura nº 2 es una representación gráfica de
la relación entre la deformación por compresión y la relación entre
el límite de elasticidad y la resistencia a la tracción en el ensayo
de tracción de probetas en forma de barra redonda tal cómo se
encuentra después de imponer una tensión de tracción sobre las
mismas.
La figura nº 3 es una representación gráfica de
los resultados de un ensayo de impacto de unas probetas después de
aplicar una tensión de tracción y después una tensión de compresión
sobre las mismas.
La figura nº 4 es una representación gráfica de
los valores de la relación entre el límite de elasticidad y la
resistencia a la tracción que se obtiene después de la expansión y
la reducción utilizando tuberías reales.
Tal como se ha indicado anteriormente, la etapa
de expansión de la tubería, que es la etapa final en el proceso UOE
convencional, provoca un aumento en la relación entre el límite de
elasticidad y la resistencia a la tracción debido al endurecimiento
por deformación en frío. Con el aumento de la resistencia de la
tubería, llega a ser difícil controlar la redondez en el intervalo
previsto debido a la capacidad de la planta. Los objetivos
principales de la etapa convencional de expansión de la tubería son
la relajación de la tensión residual en las proximidades de la zona
de soldadura soldada y conseguir la redondez. En esta etapa, sin
embargo, no puede vencerse el problema intrínseco citado
anteriormente de una elevada relación entre el límite de elasticidad
y la resistencia a la tracción.
Los presentes inventores pudieron obtener las
siguientes nuevas conclusiones acerca de la elevada relación entre
el límite de elasticidad y la resistencia a la tracción de tuberías
de acero de alta resistencia.
La figura nº 1 es un gráfico que resume la
relación entre resistencia a la tracción y la relación entre el
límite de elasticidad y la resistencia a la tracción (YR) tal como
se obtiene mediante el ensayo de tracción de probetas de ensayo a
tracción en forma de barras redondas y las probetas de ensayo a
tracción laminadas estándar API. Las probetas de ensayo se
recogieron, en la dirección circunferencial, de un gran número de
tuberías de acero que fueron producidas en el proceso UOE y
presentan distintos límites de elasticidad.
Tal como se muestra en la figura nº 1, el acero
de baja resistencia no muestra ninguna gran diferencia en la
relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a la
tracción (YR) entre el ensayo de las probetas de tracción laminadas
estándar API y las probetas de ensayo a tracción en forma de barras
redondas. En el caso de aceros de alta resistencia, sin embargo, las
probetas de ensayo a tracción en forma de barra redonda proporcionan
una muy alta relación entre el límite de elasticidad y la
resistencia a la tracción, sobrepasando notablemente el
requerimiento de la API de que "la relación entre el límite de
elasticidad y la resistencia a la tracción no debe ser mayor de un
93%". Por otra parte, las probetas de tracción laminadas muestran
una relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a la
tracción aproximadamente constante, independientemente de
resistencia a la tracción.
El fenómeno anterior probablemente se produce
debido a que las probetas de tracción laminadas estándar API se
prepararon volviendo a doblar (enderezando) probetas curvadas,
tomadas de tuberías de acero, en una forma laminar, mientras que las
probetas de ensayo a tracción en forma de barra redonda no fueron
sometidas a un trabajo para tal refuerzo. De este modo, el ensayo de
las probetas de tracción laminadas proporcionó valores reducidos de
la relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a la
tracción debido a que las probetas se doblan de nuevo cuando son
trabajadas, de modo que el límite de elasticidad disminuye a causa
del efecto Bauschinger. En las probetas de tracción laminadas, esta
disminución del límite de elasticidad se compensa con el aumento del
límite de elasticidad tras la expansión de la tubería, y por lo
tanto la relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a
la tracción apenas aumentará incluso si se aumenta la resistencia.
Por otra parte, en el ensayo de las probetas de ensayo a tracción en
forma de barra redonda, la relación entre el límite de elasticidad
y la resistencia a la tracción aumenta con el aumento de la
resistencia debido que no se provoca la disminución del límite de
elasticidad citada anteriormente, debido al efecto Bauschinger del
trabajo de refuerzo, de manera que las características de cada
material son evaluadas por sí mismas. Con el acero de alta
resistencia al cual se dirige la presente invención se consigue una
elevada relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a
la tracción de manera esperada debido al hecho de que la estructura
de martensita o bainita, que es la estructura principal, presenta
una elevada densidad de dislocación y, por lo tanto, un enorme
aumento en los resultados de sensibilidad a las tensiones.
A la vista de los resultados de ensayo
anteriores, puede afirmarse que se recomienda el uso de probetas de
ensayo a tracción redondas para evaluar con precisión las
propiedades mecánicas de tuberías de acero de alta resistencia de
calidad X80 o superior, en particular de calidad X100 o superior,
aunque la relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a
la tracción de una tubería de acero de baja resistencia de calidad
X70 o inferior puede evaluarse de una manera casi tan precisa
utilizando probetas de ensayo a tracción laminadas o probetas de
ensayo a tracción en forma de barra redonda. Por esta razón, los
datos sobre los cuales se basa la presente invención se obtuvieron
todos por ensayo utilizando probetas de ensayo a tracción en forma
de barra redonda. Se describen a continuación los resultados del
ensayo.
Utilizando probetas pequeñas, se realizó un
ensayo para simular la expansión de la tubería y la reducción de la
tubería tras el proceso UOE. El material de ensayo (placa de acero)
tenía una resistencia a la tracción en la dirección C de 900 MPa. Se
recogieron probetas en forma de barra redonda de 14 mm de diámetro
de esta placa de acero en la dirección C (dirección
circunferencial), se les proporcionó una tensión de compresión de un
0,3% que corresponde a la prensa tórica, después se les proporcionó
una tensión de tracción de un 1,0% o un 3,0%, que corresponde a la
etapa de expansión de la tubería, y adicionalmente se les
proporcionó una tensión de compresión de un 1,0% o un 3,0%, en
analogía con la etapa de reducción de la tubería. Después de estos
trabajos, se prepararon probetas de ensayo a tracción en forma de
barra redonda de 6,35 mm de diámetro, de acuerdo con la
especificación ASTM, se sometieron a un ensayo de tracción, y se
estudió la relación entre la tensión de compresión y la relación
entre el límite de elasticidad y la resistencia a la tracción. Los
resultados se muestran en la figura nº 2.
Tal como es evidente de la figura nº 2, en el
estado en el que se aplicó una tensión de tracción de un 1,0% o un
3,0%, la relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a
la tracción, que era de un 93 a un 100%, disminuyó notablemente
cuando se aplicó una tensión de compresión. De este modo, la
relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a la
tracción disminuye tras la reducción de la tubería seguido de la
expansión de la tubería. Incluso la ligera tensión de compresión de
un 1,0% provocó una aguda reducción en la relación entre el límite
de elasticidad y la resistencia a la tracción de un 90% o
inferior.
La figura nº 3 es un gráfico que muestra los
resultados de un ensayo de impacto realizado utilizando probetas a
las que se les aplicó una tensión de tracción y una tensión de
compresión de la misma manera que se ha mencionado anteriormente.
Tal como se muestra en la figura nº 2 descrita anteriormente, es
deseable un elevado porcentaje de compresión para reducir solamente
la relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a la
tracción. Tal como es evidente de la figura nº 3, sin embargo,
trabajar con un alto porcentaje alto de compresión da lugar a una
disminución de la tenacidad.
En base a los resultados de la simulación
anterior con probetas pequeñas, se llevó a cabo un ensayo de
producción de tuberías en un proceso de producción de tuberías real.
Las condiciones de producción fueron las mismas que las que se
mencionan en el siguiente Ejemplo.
En la figura nº 4 se muestra la variación en la
relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a la
tracción, tal como se observa cuando una expansión de la tubería
mediante el proceso U0E fue seguida de una reducción de la tubería
por un 0,1%, 0,3% o 0,5% en un proceso de producción real. Se
confirmó que existía una tendencia muy similar a los resultados del
ensayo de simulación. De este modo, es evidente que la relación
entre el límite de elasticidad y la resistencia a la tracción tras
la expansión disminuye a través de la etapa de reducción de la
tubería. También, en la producción real de tuberías de acero puede
producirse un efecto satisfactorio a velocidades de trabajo muy
bajas, en comparación con la velocidad de expansión de la tubería y
la velocidad de reducción que parecen necesarias para las tuberías
de acero de baja resistencia.
En el proceso real de producción de tuberías, la
deformación local continua con el aumento de la velocidad de
reducción de la tubería, de manera que se vuelve difícil conseguir
las características de forma, tal como la redondez. De este modo,
para conseguir las características de comportamiento básicas y las
características de forma deseadas de las tuberías de acero, el
porcentaje de reducción de la tubería no debe ser excesivo.
Además, cuando la relación entre el límite de
elasticidad y la resistencia a la tracción disminuye excesivamente,
llega a ser necesario aumentar el límite de elasticidad añadiendo un
componente o componentes de aleación de manera que pueda conseguirse
un nivel de límite de elasticidad recomendado. Generalmente, la
tenacidad disminuye con el aumento en la resistencia, de manera que
es difícil conseguir una buena tenacidad con dicho acero al cual se
le ha aumentado la resistencia tal como se ha mencionado
anteriormente.
Una placa de acero de partida adecuada para
utilizarla en la producción de tuberías de acero de alta resistencia
es un acero que tiene la siguiente composición química. El "%"
que indica el volumen de cada componente se refiere a "% en
masa".
Una placa de acero que consiste en C:
0,03-0,10%; Si: 0,05-0,5%; Mn:
0,8-2,0%; P: no más de un 0,02%; S: no más de un
0,01% y, además, uno o más elementos seleccionados de entre Cu:
0,05-1,0%; Ni: 0,05-2,0%; Cr:
0,05-1,0%; Mo: 0,03-1,0%; Nb:
0,005-0,1%; V: 0,01-0,1%; Ti:
0,005-0,03%; Al: no más de un 0,06% y B:
0,0005-0,0030%; siendo el resto hierro e
impurezas.
La placa de acero anterior puede contener,
además, no más de 0,005% de N y/o 0,0003-0,005% de
Ca.
Se describen ahora los efectos de los componentes
mencionados anteriormente.
C: 0,03 a
0,10%
Cuando el volumen de C es inferior a 0,03%, el
acero no logra presentar una microestructura deseada, y por lo tanto
apenas puede obtenerse la resistencia pretendida. A la inversa,
cuando supera un 0,10%, la disminución de la tenacidad de vuelve
notable, las características mecánicas del metal base se ven
afectadas negativamente y, al mismo tiempo, se favorece la
existencia de defectos superficiales de los bloques. Por
consiguiente, el margen de contenido en C apropiado es de 0,03 a
0,10%.
Si: 0,05 a
0,5%
El Si actúa de agente desoxidante para el acero y
también es un componente de refuerzo del acero. Si el volumen de Si
es inferior a un 0,05%, se produce una desoxidación insuficiente. Si
se encuentra por encima de un 0,5%, se forma martensita en bandas
(componente martensita austenita) en grandes cantidades en la zona
afectada por el calor de la soldadura, deteriorando la tenacidad.
Por lo tanto, el intervalo de contenido en Si apropiado es de
0,05
a 0,5%.
a 0,5%.
Mn: 0,8 a
2,0%
El Mn es un elemento esencial que hace que un
acero sea duro y resistente. A niveles por debajo de 0,8%, el efecto
es insuficiente y no puede obtenerse una microestructura apropiada
ni resistente. A la inversa, a niveles que superen un 2,0%, la
segregación central llega a ser notable, reduciéndose la tenacidad
del metal base; la soldabilidad también se deteriora. Por lo tanto,
el contenido apropiado de Mn es de 0,8 a 2,0%.
\newpage
P: no mayor de un
0,02%
El P es una impureza y, cuando su contenido es
mayor de un 0,02%, la segregación central llega a ser importante,
dando lugar a una disminución de la tenacidad del metal base; puede
producirse también una formación de grietas en caliente en la etapa
de soldadura. Por lo tanto, el contenido en P debe ser
apropiadamente tan bajo como sea posible.
S: no mayor de un
0,01%
El S también es una impureza y, cuando su
contenido es mayor de un 0,01%, aumenta la tendencia a la formación
de grietas inducida por el hidrógeno en bloques de acero y a una
fragilización producida por el hidrógeno en la etapa de soldadura.
Por lo tanto, el contenido de S debe ser convenientemente tan bajo
como sea posible.
Cu: 0,05 a
1,0%
El Cu es un componente que aumenta la resistencia
del acero a través de un endurecimiento por solución sólida y a
través de una modificación estructural debido a su efecto de aumento
de la templabilidad, sin perjudicar de manera notable la tenacidad
del acero. El nivel de 0,05% es el nivel mínimo para la producción
de este efecto. Por otra parte, cuando el volumen de Cu es mayor de
un 1,0%, se produce un cuarteamiento del cobre y, por lo tanto, se
inducen defectos superficiales en los bloques. El cuarteamiento del
cobre puede evitarse mediante un calentamiento a baja temperatura
del bloque pero las condiciones de producción de bloques de acero se
limitan. Por lo tanto, el contenido apropiado de Cu es 0,05 a
1,0%.
Ni: 0,05 a
2,0%.
Al igual que el Cu, el Ni es un elemento que
refuerza el acero mediante dicho endurecimiento por solución sólida
y a través de la modificación estructural por su efecto de aumento
de la templabilidad, sin perjudicar de manera notable la tenacidad
del acero. Dicho efecto llega a ser significativo a 0,05% o más. Sin
embargo, un nivel superior a un 2,0% aumenta el coste de la
producción de acero, y por lo tanto no es práctico.
Cr: 0,05 a 1,0%; Mo: 0,03 a
1,0%
Al igual que el Cu y el Ni, el Cr y el Mo son
elementos que refuerzan el acero a través del endurecimiento por
solución sólida y una la modificación estructural por su efecto de
aumento de la templabilidad, sin perjudicar de manera notable la
tenacidad del acero. A niveles respectivos de 0,05% o más y 0,03% o
más, el efecto se vuelve significativo. A niveles por encima de
1,0%, sin embargo, disminuyen la tenacidad de la zona afectada por
el calor.
Nb: 0,005 a 0,1%; V: 0,01 a 0,1%;
Ti: 0,005 a
0,03%
Estos elementos resultan muy eficaces para
aumentar la resistencia del acero, debido al endurecimiento por
precipitación y al aumento de los efectos de la templabilidad y
también para mejorar la tenacidad mediante un refinado del grano.
Los respectivos valores límite inferiores indican los niveles a los
cuales se producen estos efectos. Por otra parte, cantidades
excesivas de estos elementos provocan que disminuya la tenacidad de
la soldadura. Los respectivos límites superiores son los límites
bajo los cuales deben lograrse las características deseadas.
Al: no más de
0,06%
Al igual que el Si, el Al es eficaz como agente
desoxidante. Incluso a un nivel de 0,06% o menor, este efecto puede
producirse en un grado suficiente. La adición a niveles que superen
un 0,06% no es indeseable desde un punto de vista económico. El
contenido de Al puede ser el mismo o inferior que el nivel de
impurezas. Sin embargo, para conseguir la tenacidad del metal de
soldadura es conveniente un contenido en Al no menor del 0,02%.
B: 0,0005 a
0,0030%
A niveles no inferiores a 0,0005%, el B aumenta
notablemente la templabilidad del acero. A niveles superiores a
0,0030%, sin embargo, la soldabilidad disminuye. Por lo tanto, el
contenido de apropiado B es de 0,0005
a 0,0030%.
a 0,0030%.
N: no más de
0,005%
El N forma nitruros con V, Ti etc. y, por esta
razón, mejora eficazmente la resistencia del acero a altas
temperaturas. Sin embargo, cuando el contenido en N supera 0,005%,
el N forma gruesos carbonitruros con Nb, V y Ti y por lo tanto
reduce la tenacidad del metal base y la zona afectada por el calor.
Por lo tanto, el contenido de N debe contenerse hasta un 0,005% o
menos.
Ca: 0,0003 a
0,005%
El Ca es eficaz en el control morfológico de
inclusiones, en particular haciendo que las inclusiones sean
esféricas, y evita la formación de grietas inducida por el hidrógeno
o la ruptura de la estructura laminar. Estos efectos llegan a ser
importantes al nivel de 0,0003% o superior y alcanza un punto de
saturación a 0,005%. Por lo tanto, el volumen de Ca, si se añade, es
recomendablemente de 0,0003 a 0,05%.
La tubería de acero obtenida debe presentar una
estructura metalográfica tal que el porcentaje del área de
martensita y/o bainita no sea inferior de 80%. De este modo, es
necesario que martensita sola, bainita sola, o una estructura mixta
compuesta de ambas, supongan por lo menos un 80% expresado en
términos de porcentaje de área. Si se presenta tal microestructura,
la tubería de acero puede ser una tubería de acero de alta
resistencia con un límite de elasticidad no inferior a 551 MPa.
Una tubería de acero de alta resistencia, que
presente dicha estructura metalográfica, tal como se ha indicado
anteriormente, puede obtenerse de la siguiente manera. Una bloque,
que presenta una composición química apropiada, se somete a un
laminado controlado y a un enfriamiento controlado con el fin de
proporcionar a una placa de acero la estructura metalográfica citada
anteriormente. Ésta se utiliza como metal base y se somete a las
etapas de conformación, soldadura, y expansión y reducción de la
tubería. La estructura metalográfica de la placa de acero puede
retenerse en la tubería de acero después de ser trabajada.
Para reducir la tensión que permanece en las
proximidades de la zona soldada y para conseguir la redondez de la
tubería, se requiere una expansión de la tubería de un 0,3%. Por
otra parte, la expansión de la tubería, si se lleva a cabo a una
velocidad de trabajo mayor de un 1,2%, produce más endurecimiento
por deformación en frío del necesario, afectando negativamente a
las propiedades mecánicas. El procedimiento de expansión de la
tubería puede ser la expansión mecánica o la expansión hidráulica,
que se deben llevar a cabo en el proceso U0E convencional.
Para eliminar el endurecimiento por deformación
en frío producido por la expansión de la tubería y también con el
fin de conseguir una baja relación entre el límite de elasticidad y
la resistencia a la tracción a través del efecto Bauschinger, es
necesaria una operación que produzca por lo menos un 0,1% de la
deformación predeterminada, es decir, la reducción de la tubería.
Por otra parte, si la reducción de la tubería es mayor de un 1,0%,
es difícil conseguir la forma y el tamaño de la tubería pretendidos
y, además, puede producirse una deformación local, produciendo
posiblemente una irregularidad de comportamiento en la dirección de
la circunferencia de la tubería. Se produce, además, una disminución
de la tenacidad, tal como se ha indicado anteriormente con
referencia a la figura nº 3. Incluso si pudiera llevarse a cabo una
reducción de la tubería superior a un 1,0% bajo una elevada carga,
la relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a la
tracción disminuiría notablemente, de manera que llega a ser
necesario tomar ciertas medidas para aumentar la resistencia a la
tracción, por ejemplo, la adición de un componente o componentes de
aleación para conseguir el límite de elasticidad deseado. Esto, sin
embargo, da lugar a un aumento en los costes de producción.
Es deseable que el porcentaje de reducción de la
tubería sea menor que el porcentaje de expansión de la tubería.
Cuando la reducción de la tubería se lleva a cabo a una velocidad de
trabajo mayor que el porcentaje de expansión de la tubería, la
disminución en la relación entre el límite de elasticidad y la
resistencia a la tracción puede llegar a ser excesiva.
En las tuberías de acero de alta resistencia, que
presentan un límite de elasticidad no inferior de 689 MPa (tuberías
de acero de calidad X100 o mayor), la proporción de martensita en la
estructura metalográfica llega a ser elevada. Por lo tanto, el
aumento de la relación entre el límite de elasticidad y la
resistencia a la tracción debido a la expansión de la tubería
también es grande. Sin embargo, mediante la combinación de la
expansión de la tubería y la reducción de la tubería, de acuerdo con
la presente invención, es posible contener la relación entre el
límite de elasticidad y la resistencia a la tracción para que no
aumente y satisfacer con facilidad el requerimiento de que la
relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a la
tracción no debe ser mayor de un 93%.
Ejemplo
Se utilizaron unas placas de acero de 10 a 25 mm
de espesor, las cuales presentaban las respectivas composiciones
químicas y microestructuras que se muestran en la Tabla 1, como
metales de base para la producción de tuberías de acero con un
diámetro exterior de 30 pulgadas a 48 pulgadas. La observación de la
microestructura se llevó a cabo bajo un microscopio óptico y un
microscopio electrónico, y se determinaron las proporciones de
martensita y bainita.
En primer lugar, cada lámina de acero se sometió
a una conformación a presión C-U-O,
soldadura discontinua, soldadura interna y soldadura externa
mediante el procedimiento de soldadura por arco sumergido, seguido
de una expansión y una reducción de la tubería mecánica de la
tubería utilizando una prensa tórica. El porcentaje de expansión y
el porcentaje de reducción se muestran en la tabla 2.
El porcentaje de expansión de la tubería, el
porcentaje de reducción de tubería, los resultados del ensayo de
impacto Charpy y el ensayo de tracción, y la redondez se muestran en
Tabla 2. Los conceptos de valor de impacto Charpy, características
de tracción y redondez son conceptos particularmente importantes que
hay que comprobar para garantizar las características de rendimiento
de las tuberías de línea.
Las probetas de impacto empleadas fueron probetas
JIS nº 4, y las probetas de tracción empleadas fueron probetas en
forma de barra redonda. La energía absorbida, el límite de
elasticidad y la resistencia a la tracción se midieron a -30, y se
calculó la relación entre el límite de elasticidad y la resistencia
a la tracción. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 2.
Para la determinación del valor de la resistencia al impacto se
recogieron unas probetas con la muesca sobre el metal base, metal de
soldadura o línea de soldadura. En la columna de redondez, "O"
indica que los valores del diámetro se encuentran dentro del margen
de especificación API "diámetro exterior nominal 1%", y
"X" indica que no cae dentro de este margen de tolerancia. El
símbolo "\Delta" significa que la carga sobre el equipo para
lograr un nivel satisfactorio de circularidad es muy pesada.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
\newpage
Tal como es evidente de la Tabla 2, en cada uno
de los ejemplos, de acuerdo con la presente invención, la
microestructura de la placa de acero de base cumplió las condiciones
prescritas y la tubería fue producida en un porcentaje de expansión
y en un porcentaje de reducción de tubería adecuado y, por
consiguiente, los valores de energía absorbida para el metal base,
el metal de soldadura y la línea de soldadura superaron los 200 J,
40 J y 40 J, respectivamente, y la tenacidad fue, de este modo,
elevada. Además, la resistencia fue adecuada y la circularidad fue
buena.
En los ejemplos comparativos, por otra parte, la
fracción de la estructura metalográfica no era adecuada, o el
porcentaje de expansión de la tubería y/o el porcentaje de reducción
de la tubería fue inadecuado incluso cuando la estructura era
apropiada, de manera que el efecto de reducción de la relación entre
el límite de elasticidad y la resistencia a la tracción fue leve, y
la relación entre el límite de elasticidad y la resistencia a la
tracción superó el nivel pretendido del 93%. Además, cuando la
resistencia era más alta y el porcentaje de reducción de la tubería
era elevado, la tenacidad del metal base disminuyó.
El procedimiento de la presente invención puede
resolver el problema de una relación entre el límite de elasticidad
y la resistencia a la tracción excesivamente alta, intrínseco en
tuberías de acero de alta resistencia, y puede garantizar la
seguridad de las mismas como en las tuberías de línea existentes.
Puede producir tuberías de acero excelentes en tenacidad así como en
circularidad. El procedimiento de la presente invención es muy útil
como procedimiento para la producción de tuberías de acero de alta
resistencia, y las tuberías de acero producidas pueden disponerse en
uso práctico como tuberías de línea de calidad X80 o mayor.
Claims (3)
1. Procedimiento para producir una tubería de
acero que presenta una microestructura que comprende martensita y/o
bainita en una cantidad de por lo menos un 80% expresados en
términos de porcentaje de área, y que presenta un límite de
elasticidad no inferior a 551 MPa, comprendiendo dicho procedimiento
las etapas de conformar y soldar una placa de acero en una tubería
de acero, y expandir la tubería de acero, caracterizado en
que dicha etapa de expansión comprende expandir la tubería de acero
en un 0,3 a un 1,2% y en que dicho procedimiento comprende, además,
la etapa de reducir la tubería de acero expandida en un 0,1 a un
1,0%.
2. Procedimiento para producir una tubería de
acero según la reivindicación 1, caracterizado en que el
porcentaje de reducción de la tubería es menor que el porcentaje de
expansión de la tubería.
3. Procedimiento de producir una tubería de acero
según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado en que la
tubería de acero tras la expansión y la reducción tiene un límite de
elasticidad no inferior a 689 MPa.
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