ES2625085T3 - Dispositivo para la fabricación de tuberías de acero - Google Patents

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ES2625085T3 ES13187253.3T ES13187253T ES2625085T3 ES 2625085 T3 ES2625085 T3 ES 2625085T3 ES 13187253 T ES13187253 T ES 13187253T ES 2625085 T3 ES2625085 T3 ES 2625085T3
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Abstract

Dispositivo para la fabricación de tuberías de acero sin soldadura para campos petrolíferos, con 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 25,0 mm, de una mayor solidez y una tenacidad mejorada 5 del material, así como con la misma microestructura a lo largo de la longitud total y de la sección transversal de la tubería, con una concentración de los respectivos elementos de aleación, elementos accidentales o impurezas, en porcentaje en peso de carbono (C) entre 0,03 y 0,5 silicio (Si) entre 0,15 y 0,65 manganeso (Mn) entre 0,5 y 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) entre 0,01 y 0,09 titanio (Ti) máx. 0,05 molibdeno (Mo) máx. 0,8 vanadio (V) entre 0,02 y 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 formadas con un laminador estirador-reductor y un dispositivo de enfriamiento rápido conmutable, colocado directamente tras el último grupo de conformación, en forma de un tramo de enfriamiento continuo, que comprende múltiples anillos de distribución para el agente refrigerante, dispuestos concéntricamente en torno al material laminado, que pueden posicionarse de diversas formas en dirección longitudinal, presentando cada uno de ellos al menos tres toberas orientadas hacia el eje, pudiéndose alimentar cada anillo de distribución o cada grupo de ellos con el agente refrigerante con un caudal regulado.

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo para la fabricacion de tubenas de acero.
La invencion se refiere a un dispositivo para la fabricacion de tubenas de acero con un perfil especial de propiedades, con un mecanismo para aplicar agente refrigerante a una superficie de tubena.
En la produccion de tubenas sin soldadura, las propiedades del material de la pared de la tubena 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 elevada proporcion de elementos accidentales e impurezas.
Por los motivos arriba mencionados, para tubenas sometidas a una elevada solicitacion debena darse una microestructura adecuada a los requisitos, con una uniformidad dada dentro de unos margenes estrechos a lo largo de la longitud de la tubena, asf como coaxialmente en la pared de la tubena, y una composicion de material exenta de elementos nocivos.
Las tubenas de una longitud de 7 m y 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 de la tubena y que minimice el alabeo vertical en direccion longitudinal.
Se conocen procedimientos en los que una tubena se hace girar en torno a su eje y se enfna 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 de la tubena, a fin de obtener una composicion estructural homogenea en las paredes.
WO 98/38345 publica un procedimiento y un dispositivo para la fabricacion de tubenas soldadas, en los que una chapa laminada con contenidos de C, Mn, Ni, Nb, Ti y N se somete por ambos lados a un tratamiento termico, se enrolla y se forma la tubena mediante una soldadura de varias capas en sentido longitudinal.
De US 3507712 se conoce un procedimiento y un mecanismo para el temple y refrigeracion de tubenas de acero de un gran diametro. Las toberas inclinadas en direccion axial de la tubena transmiten chorros de refrigeracion excentricos, dirigidos en el sentido a las agujas del reloj y contra la agujas del reloj.
En JP 54037011 A se divulga una instalacion de temple continuo para tubenas con un componente externo de suministro de agente refrigerante y con toberas o alimentadores concentricos de agente refrigerante, dirigidos hacia el interior desde el componente e inclinados en la direccion del recorrido de la tubena, cuya alimentacion puede interrumpirse mediante su desconexion.
Ya se propuso segun US 7018488 B2 una tubena de acero con una alta resistencia a la traccion y excelentes propiedades de flexion de tres puntos para reforzar puertas de vehfculos. Aqm se fabrica una tubena de acero con Si, Mn y Al (0,01 - 2,2% en peso de Si, 2,5 - 3,5% de Mn) y se somete a un tratamiento de enfriamiento brusco estando a 800 °C. Como resultado, la tubena de acero presenta una resistencia en torno a 1000 MPa y posee excelentes propiedades de flexion de tres puntos.
US 2007/181234 A1 divulga una forma especial de configuracion de un sistema de refrigeracion por pulverizacion de anillos de refrigeracion, pudiendose posicionar los anillos de refrigeracion independientemente entre sl Una corriente plana circular de agente de pulverizacion de cada anillo de refrigeracion se dirige hacia el material a refrigerar de forma inclinada axialmente
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desde una ranura anular coaxial en direccion del recorrido del material a enfriar, presentando el respectivo proximo anillo circular una proteccion contra la pulverizacion del chorro plano reflectado por el material a refrigerar.
El cometido de la invencion de crear un dispositivo para la produccion de tubenas 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 tubena, se consigue con las caractensticas segun la invencion de la reivindicacion 1, estando conformado en el sentido de laminado, tras el ultimo grupo de conformacion, un tramo de enfriamiento continuo conmutable con multiples anillos de distribucion para el agente refrigerante, dispuestos concentricamente en torno al material laminado y que pueden posicionarse de diversas formas en direccion longitudinal, presentando respectivamente cada anillo de distribucion al menos 3 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 un mecanismo segun la invencion se pueden someter tubenas de diversos tamanos de extension longitudinal y de distintos diametros y espesores de pared a un tratamiento termico espedfico mediante el calor de laminacion, pudiendose conseguir con ello la microestructura deseada, la cual se obtiene uniformemente a lo largo de la longitud de la tubena.
En cuanto a la uniformidad de la estructura del acero bonificado tanto circunferencialmente como tambien en direccion longitudinal de la pared de tubena, 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 aqm 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 tubena 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 de la tubena.
Es esencial en la invencion 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 de tubena en dicho tramo, se puede evitar ventajosamente la penetracion de agente refrigerante en el hueco de la tubena, lo que permite evitar un enfriamiento interior basicamente unilateral en la seccion transversal e impedir el alabeo y una formacion irregular de la microestructura.
Segun la invencion se emplean ventajosamente sistemas de regulacion para el enfriamiento de tubenas 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 tubena (MPT) de la misma masa fundida madre con una composicion qmmica en porcentaje en peso conforme a la tabla 1
Denominacio n
C Si Mn P S Cr Ni Cu Al Mo Fe
Promedio
0.181 0.291 1.423 0.014 0.006 0.041 0.027 0.021 0.027 0.012 rest
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MPT
9 0 1 6 5 5 5 1 4 6 o
se fabricaron finalmente tubenas mediante reduccion por estiraje con las siguientes dimensiones: longitud de tubena (producto laminado) (L) 19.300,00 mm
diametro de tubena (0) 146,00 mm
espesor de pared de tubena 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 la tubena en un tramo de enfriamiento continuo tras un periodo de 12 s a una temperatura de 880° C.
Sobre la base del comportamiento de transformacion detectado en el acero, en el marco de analisis de lotes sueltos en la produccion de tubenas, estas se sometieron a un enfriamiento espedfico, meramente en la superficie exterior de la tubena, 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 T1 = 850° C T2 = 480° C T3 = 380° C T4 = 300° C
Denominacion de la muestra
P1
P2
P3
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 de la tubena con menor intensidad basicamente en aire estatico a temperatura ambiente.
De las tubenas sometidas a distintos tratamientos termicos se tomaron respectivamente muestras, con las denominaciones de P1 a P4, y se realizaron analisis de material.
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 que dependen 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 ^m 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 ^m, 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 mdice 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 bonificacion.
La microestructura de la pared de tubena 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
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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 de tubena a una velocidad superior a 1 °C/s inmediatamente despues de la conformacion en caliente del material con base de hierro, una estructura austerntica 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 una tubena 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 una tubena, 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 Krnite 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 de tubena 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 de tubena y disminuye de por sf tambien levemente la contraccion y tenacidad del material, lo que puede verse sobre la base de las muestras P2, P3 y P4.
Con el dispositivo segun la invencion pueden seleccionarse tambien microestructuras espedficas en el material, lo que da como resultado el perfil de propiedades de la pared de tubena. Por ejemplo, se pudo conseguir mediante una temperatura baja de transformacion en la tubena de muestra P4 un alto grado de transformacion en una estructura bairntica 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 de tubena en las tubenas de ensayo 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 las tubenas.
En la fig. 7 esta representado el desarrollo de la dureza del material en los cuadrantes a lo largo del espesor de la pared de tubena de la tubena de 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 de tubena.
Como puede verse en la comparacion de los respectivos valores de dureza en las secciones transversales de la pared de tubena 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 y un dispositivo de la misma.

Claims (5)

  1. 5
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    Reivindicaciones
    1. Dispositivo para la fabricacion de tubenas de acero sin soldadura para campos petroKferos, 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 y un espesor de pared superior a 2,0 mm pero inferior a 25,0 mm, de una mayor solidez y una tenacidad mejorada del material, asf como con la misma microestructura a lo largo de la longitud total y de la seccion transversal de la tubena, con una concentracion de los respectivos elementos de aleacion, elementos accidentales o impurezas, en porcentaje en peso de
    carbono (C)
    entre 0,03 y 0,5
    silicio (Si)
    entre 0,15 y 0,65
    manganeso (Mn)
    entre 0,5 y 2,0
    fosforo (P)
    max. 0,03
    azufre (S)
    max. 0,03
    cromo (Cr)
    max. 1,5
    mquel (Ni)
    max. 1,0
    cobre(Cu)
    max. 0,3
    aluminio (Al)
    entre 0,01 y 0,09
    titanio (Ti)
    max. 0,05
    molibdeno (Mo)
    max. 0,8
    vanadio (V)
    entre 0,02 y 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
    formadas con un laminador estirador-reductor y un dispositivo de enfriamiento rapido conmutable, colocado directamente tras el ultimo grupo de conformacion, en forma de un tramo de enfriamiento continuo, que comprende multiples anillos de distribucion para el agente refrigerante, dispuestos concentricamente en torno al material laminado, que pueden posicionarse de diversas formas en direccion longitudinal, presentando cada uno de ellos al menos tres toberas orientadas hacia el eje, pudiendose alimentar cada anillo de distribucion o cada grupo de ellos con el agente refrigerante con un caudal regulado.
  2. 2. Dispositivo segun la reivindicacion 1, en el que estan dispuestos sensores de posicion y de temperatura en el tramo de enfriamiento continuo para una tubena, para la conmutacion y control de las corrientes de agente refrigerante.
  3. 3. Dispositivo segun la reivindicacion 1 o 2, en el que las toberas de los anillos de distribucion generan una corriente de agente refrigerante en forma de piramide que se amplfa en la direccion de pulverizacion.
  4. 4. Dispositivo segun una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que las toberas de los anillos de distribucion generan una corriente de agente refrigerante rectangular que se amplfa en la direccion de pulverizacion, estando el eje mas largo del rectangulo orientado en diagonal al eje de la tubena.
    5
  5. 5. Dispositivo segun una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que las corrientes de agente refrigerante en el tramo de enfriamiento continuo son conmutables dentro del tramo en funcion de la posicion de los extremos de tubena.
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