ES2569103T3 - Procedimiento y dispositivo para la fabricación de tubos de acero con propiedades particulares - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para la fabricación de tubos de acero con propiedades particulares Download PDF

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ES2569103T3 ES09763823.3T ES09763823T ES2569103T3 ES 2569103 T3 ES2569103 T3 ES 2569103T3 ES 09763823 T ES09763823 T ES 09763823T ES 2569103 T3 ES2569103 T3 ES 2569103T3
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Abstract

Procedimiento para la fabricación de tubos de acero de una mayor solidez y una tenacidad mejorada del material mediante un enfriamiento rápido inmediatamente después de una conformación en caliente, en concreto tubos para campos petrolíferos de una longitud superior a 7 m, en particular de hasta 200 m, un diámetro exterior superior a 20 mm pero inferior a 200 mm y un espesor de pared superior a 2,0 mm pero inferior a 25 mm, tras una conformación mediante reducción por estiraje, aplicándose, dentro de un lapso de tiempo de máximo 20 s tras la conformación final a una temperatura superior a 700° C pero inferior a 1050° C, de forma pasante sobre la superficie exterior del tubo circunferencialmente en una longitud 400 veces mayor que el espesor de la pared del tubo un agente refrigerante con presión elevada en una cantidad que produce en el enfriamiento rápido una velocidad de enfriamiento constante superior a 1 °C/s en la pared del tubo a lo largo de la longitud del tubo a una gama de temperatura de entre 500 y 250 °C, estando formada la corriente de agente refrigerante respectivamente por una corriente de pulverización de agente refrigerante, por lo general agua, y/o por una corriente de niebla de pulverización de agente refrigerante y aire y/o por una corriente de gas, tras lo que tiene lugar un enfriamiento adicional del tubo en el aire a temperatura ambiente, en el que se aplica para la producción de tubos de acero con una concentración de los respectivos elementos de aleación, elementos accidentales o impurezas, en porcentaje en peso de: carbono (C) 0,03 a 0,5 silicio (Si) 0,15 a 0,65 manganeso (Mn) 0,5 a 2,0 fósforo (P) máx. 0,03 azufre (S) máx. 0,03 cromo (Cr) máx. 1,5 níquel (Ni) máx. 1,0 cobre (Cu) máx. 0,3 aluminio (Al) 0,01 a 0,09 titanio (Ti) máx. 0,05 molibdeno (Mo) máx. 0,8 vanadio (V) 0,02 a 0,2 estaño (Sn) máx. 0,08 nitrógeno (N) máx. 0,04 niobio (Nb) máx. 0,08 calcio (Ca) máx. 0,005 hierro (Fe) resto.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento y dispositivo para la fabricacion de tubos de acero con propiedades particulares
La invencion se refiere a un procedimiento para la fabricacion de tubos de acero de una mayor solidez y una tenacidad mejorada del material.
En la produccion de tubos sin soldadura, las propiedades del material de la pared del tubo pueden presentar considerables diferencias dependiendo del punto y del lote. Estas diferencias de propiedades se deben en su mayor parte a una microestructura irregular y a una composicion de acero desfavorable o bien a una proporcion elevada de elementos accidentales e impurezas.
Por los motivos arriba mencionados, para tubos sometidos a una elevada solicitacion deberfa darse una microestructura adecuada a los requisitos, con una uniformidad dada dentro de unos margenes estrechos a lo largo de la longitud del tubo, asf como coaxialmente en la pared del tubo, y una composicion de material exenta de elementos nocivos.
Los tubos de una longitud de 7 m o mas y un diametro exterior inferior a 200 mm con un espesor de pared inferior a 25 mm unicamente se pueden someter con dificultad a un tratamiento termico que aporte una microestructura fina y uniforme con la estructura deseada en todo el volumen del tubo y que minimice el alabeo vertical en direccion longitudinal.
Se conocen procedimientos en los que un tubo se hace girar en torno a su eje y se enfrfa por la superficie exterior y/o interior. Sin embargo, para estos procedimientos de tratamiento termico es requisito previo que la temperatura del material sea aproximadamente igual a lo largo de la longitud del tubo, a fin de obtener una composicion estructural homogenea en las paredes.
EP 0 972 087 A1 se refiere a un acero de alta resistencia con una alta tenacidad en la direccion del espesor y con excelentes propiedades para una union por soldadura, presentando el acero una resistencia a la traccion de al menos 900 MPa.
En el procedimiento de fabricacion segun esta publicacion esta previsto un calentamiento de un desbaste plano a la temperatura de deformacion (950 °C - 1250 °C) para llevar niobio a un estado de solucion solida. Ademas, se produce una laminacion en caliente del desbaste plano con una deformacion de al menos el 25% a una temperatura de entre 950 y 700 °C (Ar3) y un enfriamiento de la chapa con una velocidad de enfriamiento de al menos entre 10 y 45 °C/s en el centro de la chapa a menos de 450 °C hasta la temperatura ambiente para la transformacion de la estructura en martensita. Para aumentar la tenacidad o la fiabilidad del acero se realiza un tratamiento de revenido de la chapa de acero a una temperatura por debajo de los 675 °C.
De US 5.186.769 se conoce la conformacion termomecanica de tubos mediante un laminador reductor a temperaturas entre Tnr y Ar3, seguida de una pulverizacion con agua a una velocidad de enfriamiento de entre 3 y 5 °C/s.
El cometido de la invencion es indicar un procedimiento con el que durante la produccion de un tubo mediante conformacion en caliente, en particular mediante reduccion por estiraje, se realice un tratamiento subordinado que produzca un incremento de la solidez y mejore la tenacidad del material del tubo.
El objetivo se consigue con un procedimiento del mismo tipo, con las caracterfsticas de la reivindicacion 1. Conforme al procedimiento segun la invencion, se pueden alcanzar valores mecanicos del material especialmente elevados y uniformes, en particular valores de tenacidad, cuando el inicio del enfriamiento rapido de la superficie exterior del tubo se efectua a una temperatura inferior a 950 °C.
Para un tratamiento de revenido integrado, tambien puede ser ventajoso que tras el enfriamiento rapido, en un enfriamiento adicional en aire, se realice un retrocalentamiento especffico de la zona de la superficie de la pared del tubo.
El procedimiento sirve para la fabricacion de tubos sin soldadura con una longitud superior a 7 m, en particular de hasta 200 m, un diametro exterior superior a 20 mm pero inferior a 200 mm, un espesor de pared superior a 2,0 mm pero inferior a 25 mm, y con esta calidad mas elevada del tubo se puede reducir el almacenaje, lo que representa una considerable ventaja, y minimizar los casos de danos por rotura, ahorrando considerablemente en gastos de reparacion.
Con un contenido limitado de carbono, es ventajoso para una calidad elevada y homogenea del tubo que al menos un elemento del acero presente contenidos en porcentaje en peso de:
carbono (C)
0,05 a 0,35
fosforo (P)
max. 0,015
azufre (S)
max. 0,005
cromo (Cr)
max. 1,0
titanio (Ti)
max. 0,02
estano (Sn)
max. 0,08
calcio (Ca)
max. 0,005
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Un dispositivo para la produccion de tubos de acero con una solidez mas elevada y una tenacidad mejorada del material mediante el enfriamiento rapido tras la conformacion, que consta de un mecanismo para la aplicacion de agente refrigerante en una superficie de tubo, muestra ventajosamente en el sentido de laminado, tras el ultimo grupo de conformacion, un tramo de enfriamiento continuo conmutable con multiples anillos de distribucion concentricos para el agente refrigerante, dispuestos en torno al material laminado y emplazables en distintas posiciones en direccion longitudinal, respectivamente con al menos tres toberas orientadas respectiva y basicamente hacia el eje, pudiendose alimentar cada anillo de distribucion o cada grupo de ellos con el agente refrigerante con un caudal regulado.
Ventajosamente, con este dispositivo se pueden someter tubos de diversos tamanos de extension longitudinal y de distintos diametros y espesores de pared a un tratamiento termico especffico mediante el calor de laminacion, pudiendose conseguir con ello la microestructura deseada, la cual se obtiene uniformemente a lo largo de la longitud del tubo.
En cuanto a la uniformidad de la estructura del acero bonificado tanto circunferencialmente como tambien en direccion longitudinal de la pared del tubo, ha resultado ser especialmente ventajoso que las toberas generen respectivamente una corriente de refrigerante en forma de piramide que se amplfa en la direccion de pulverizacion.
La corriente de agente refrigerante puede estar formada aquf por una corriente de pulverizacion de refrigerante, generalmente de agua, y/o por una corriente de niebla de pulverizacion de agente refrigerante y aire y/o por una corriente de gas.
Tambien se ha logrado obtener resultados ventajosos en cuanto a una calidad de tubo elevada y uniforme cuando la corriente de agente refrigerante presenta una seccion transversal con forma rectangular y el eje mas largo del rectangulo esta orientado transversalmente hacia el eje del tubo. Es ventajoso que las corrientes de agente refrigerante se puedan conmutar y su caudal se pueda regular en el tramo de enfriamiento continuo. Cuando la alimentacion de agente refrigerante para el tramo de enfriamiento continuo se puede conmutar en funcion de la posicion de los extremos del tubo en dicho tramo, se puede evitar ventajosamente la penetracion de agente refrigerante en el hueco del tubo, lo que permite evitar un enfriamiento interior basicamente unilateral en la seccion transversal e impedir el alabeo y una formacion irregular de la microestructura.
Ventajosamente se emplean sistemas de regulacion para el enfriamiento de tubos con sensores de posicion y de temperatura para el control de las corrientes de refrigerante.
A continuacion se describe mas detalladamente la invencion sobre la base de ejemplos que representan meramente una posibilidad de ejecucion.
Ejemplo 1: De un material de partida para tubo (MPT) de la misma masa fundida madre con una composicion qufmica en porcentaje en peso conforme a la tabla 1
Denominacion Fe
Promedio MPT resto
se fabricaron finalmente tubos mediante reduccion por estiraje con las siguientes dimensiones:
longitud de tubo (producto laminado) (L) 19.300,00 mm
diametro de tubo (0) 146,00 mm
espesor de pared del tubo 9,70 mm
Tras la ultima pasada o bien despues de una conformacion final en el grupo de salida de la instalacion de reduccion por estiraje, se introdujo el tubo tras un periodo de 12 s a una temperatura de 880° C en un tramo de enfriamiento continuo.
Sobre la base del comportamiento de transformacion detectado en el acero, en el marco de analisis de lotes sueltos en la produccion de tubos, estos se sometieron a un enfriamiento especffico, meramente en la superficie exterior del tubo, midiendose en estas al crear la corriente de agente refrigerante una velocidad de enfriamiento de aprox. 6 °C/s en las siguientes temperaturas finales:
Temperatura
De
T1 = 850° C
P1
T2 = 480° C
P2
T3 = 380° C
P3
T4 = 300° C
P4
Una vez alcanzadas estas temperaturas de enfriamiento finales previstas se efectuo una desconexion de la alimentacion de agente refrigerante y, de ese modo, un enfriamiento adicional del tubo con menor intensidad basicamente en aire estatico a temperatura ambiente.
De los tubos sometidas a distintos tratamientos termicos se tomaron respectivamente muestras, con las denominaciones de P1 a P4, y se realizaron analisis de material.
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El analisis de la microestructura dio respectivamente como resultado en todo caso una microestructura ventajosamente orientada en el mismo sentido, basicamente sin textura, si bien con un tamano de grano y una distribucion de la microestructura dependiente de la temperatura final de enfriamiento.
La fig. 1 muestra la microestructura de la muestra P1, siendo el tamano de grano de entre 20 y 30 pm con un alto contenido de ferrita. El otro componente de la microestructura fue basicamente perlita.
En la fig. 2 puede verse un tamano de grano medio considerablemente mas reducido de la muestra P2, de aprox. entre 5 y 8 pm, lo que esta relacionado con una temperatura final de enfriamiento mas baja, de T2 = 480° C. Ademas, el contenido de perlita en la ferrita era mas fino y ligeramente mas elevado.
En la fig. 3 puede verse que el material de la muestra P3 presenta un grano fino mediante un fndice de germinacion elevado con una transformacion y recristalizacion de la microestructura a una temperatura final de enfriamiento de T3 = 380° C y zonas de ferrita que aumentan la solidez y cuya distribucion es homogenea en su mayor parte. La perlita y la microestructura de la fase intermedia superior o bainita superior fueron los otros componentes de la microestructura de bonificado.
La microestructura de la pared del tubo P4, que se formo mediante un enfriamiento rapido tras la conformacion a una temperatura final de enfriamiento de t4 = 300° C, se muestra en la fig. 4. Con un grano extremadamente fino y mediante fases de ferrita globulfticas estrictamente limitadas con perlita laminar fina y componentes de fase intermedia en la zona de bainita inferior se obtienen elevados valores de solidez y un mejor alargamiento del material.
Con un enfriamiento de la pared del tubo a una velocidad superior a 1 °C/s inmediatamente despues de la conformacion en caliente del material con base de hierro, una estructura austenftica formada de ese modo, como se ha comprobado, se puede subenfriar ampliamente con respecto al equilibrio, produciendose a continuacion una transformacion de la microestructura en funcion del grado de subenfriamiento y del estado de germinacion. Ventajosamente, mediante el procedimiento segun la invencion se puede establecer en toda la longitud de un tubo y, sorprendentemente, tambien en la seccion transversal la microestructura deseada y uniforme, determinando dicha microestructura tambien las propiedades del material. Dicho de otro modo: si se requieren propiedades de material esenciales en un tubo, debe emplearse una aleacion. Se puede lograr el perfil de propiedades previsto, ventajoso y propicio mediante el procedimiento conforme a la invencion en el dispositivo segun la invencion.
La fig. 5 muestra en un grafico de barras los valores de medicion de lfmite elastico (Rp) (0,2) [Mpa], resistencia a la traccion (Rm) [Mpa], contraccion (Ac) [%] y tenacidad (KV450) [J] de las muestras P1 a P4, es decir, en funcion de las propiedades mecanicas del material logradas mediante los distintos parametros de enfriamiento con la tecnologfa de bonificacion.
Con la misma composicion de acero, tras una reduccion por estiraje, se puede aumentar el lfmite elastico del material de la pared del tubo de 424 [MPa] a 819 [MPa] mediante un procedimiento segun la invencion y minimizar simultaneamente la cafda de los valores de elasticidad de 26 [%] a 10 [%], reduciendose la tenacidad del material de 170 [J] a 160 [J].
En temperaturas finales de enfriamiento elevadas, como es el caso por ejemplo en el material de la muestra P1, se produce un alto grado de recristalizacion y formacion de grano grueso, lo que si bien proporciona al material una elevada tenacidad y contraccion, produce sin embargo valores de solidez comparativamente bajos.
Un enfriamiento a temperaturas mas bajas de transformacion aumenta los valores de solidez de la pared del tubo y disminuye de por si tambien levemente la contraccion y tenacidad del material, lo que puede verse sobre la base de las muestras P2, P3 y P4.
Con el procedimiento segun la invencion pueden seleccionarse tambien microestructuras especfficas en el material, lo que da como resultado el perfil de propiedades de la pared del tubo. Por ejemplo, se pudo conseguir mediante una temperatura baja de transformacion en el tubo de muestra P4 un alto grado de transformacion en una estructura bainftica inferior de la microestructura, con lo que se pudo lograr un aumento de la tenacidad del material.
La fig. 6 muestra los valores de dureza medidos a lo largo de la longitud del tubo en los tubos de los ensayos P1 y P4. Con un aumento de la dureza [HRB] y de los valores de solidez del material mediante la intensificacion de la aplicacion de agente refrigerante, se reduce tambien, como se ha comprobado, la dispersion S de la dureza del material a lo largo de la longitud de los tubos.
En la fig. 7 esta representado el desarrollo de la dureza del material en los cuadrantes a lo largo del espesor de la pared del tubo en el tubo del ensayo P2.
Los resultados de medicion de los cuatro cuadrantes Q1 a Q4 son promedios de respectivamente cuatro mediciones espaciadas por cuadrante en la zona exterior, media e interior de la pared del tubo.
Como puede verse en la comparacion de los respectivos valores de dureza en las secciones transversales de la pared del tubo en los cuadrantes, las diferencias en la solidez del material son solo leves, lo que demuestra la calidad de producto alcanzable mediante el uso del procedimiento segun la invencion o un dispositivo de la misma.

Claims (4)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    Reivindicaciones
    1.- Procedimiento para la fabricacion de tubos de acero de una mayor solidez y una tenacidad mejorada del material mediante un enfriamiento rapido inmediatamente despues de una conformacion en caliente, en concreto tubos para campos petrolfferos de una longitud superior a 7 m, en particular de hasta 200 m, un diametro exterior superior a 20 mm pero inferior a 200 mm y un espesor de pared superior a 2,0 mm pero inferior a 25 mm,
    tras una conformacion mediante reduccion por estiraje, aplicandose, dentro de un lapso de tiempo de maximo 20 s tras la conformacion final a una temperatura superior a 700° C pero inferior a 1050° C, de forma pasante sobre la superficie exterior del tubo circunferencialmente en una longitud 400 veces mayor que el espesor de la pared del tubo un agente refrigerante con presion elevada en una cantidad que produce en el enfriamiento rapido una velocidad de enfriamiento constante superior a 1 °C/s en la pared del tubo a lo largo de la longitud del tubo a una gama de temperatura de entre 500 y 250 °C, estando formada la corriente de agente refrigerante respectivamente por una corriente de pulverizacion de agente refrigerante, por lo general agua, y/o por una corriente de niebla de pulverizacion de agente refrigerante y aire y/o por una corriente de gas, tras lo que tiene lugar un enfriamiento adicional del tubo en el aire a temperatura ambiente, en el que se aplica para la produccion de tubos de acero con una concentracion de los respectivos elementos de aleacion, elementos accidentales o impurezas, en porcentaje en peso de:
    carbono (C)
    0,03 a 0,5
    silicio (Si)
    0,15 a 0,65
    manganeso (Mn) 0,5
    a 2,0
    fosforo (P)
    max. 0,03
    azufre (S)
    max. 0,03
    cromo (Cr)
    max. 1,5
    nfquel (Ni)
    max. 1,0
    cobre (Cu)
    max. 0,3
    aluminio (Al)
    0,01 a 0,09
    titanio (Ti)
    max. 0,05
    molibdeno (Mo)
    max. 0,8
    vanadio (V)
    0,02 a 0,2
    estano (Sn)
    max. 0,08
    nitrogeno (N)
    max. 0,04
    niobio (Nb)
    max. 0,08
    calcio (Ca)
    max. 0,005
    hierro (Fe)
    resto
  2. 2. - Procedimiento segun la reivindicacion 1, en el que el inicio del enfriamiento rapido de la superficie exterior del tubo se produce a una temperatura inferior a 950 °C.
  3. 3. - Procedimiento segun la reivindicacion 1 o 2, en el que, tras el enfriamiento rapido, durante el enfriamiento adicional del tubo en el aire se realiza un retrocalentamiento especffico de la pared del tubo.
  4. 4. - Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el acero, para la produccion de tubos, presenta al menos un elemento con un contenido en porcentaje en peso de:
    carbono (C) fosforo (P) azufre (S) cromo (Cr) titanio (Ti)
    entre 0,05
    y
    0,35
    max.
    0,015
    max.
    0,005
    max.
    1,0
    max.
    0,02.
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