MX2013004025A - Metodos de fabricacion de tubos de acero para varillas de perforacion con propiedades mecanicas mejoradas, y varillas obtenidas a traves de los mismos. - Google Patents

Metodos de fabricacion de tubos de acero para varillas de perforacion con propiedades mecanicas mejoradas, y varillas obtenidas a traves de los mismos.

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Abstract

Las realizaciones de la presente descripción se refieren a métodos de fabricación de tubos de acero que se pueden utilizar para la exploración minera, y varillas hechas a través de los mismos. Las realizaciones de los métodos incluyen el templado de tubos de acero desde una temperatura austenítica antes del estirado en frío, lo que aumenta las propiedades mecánicas dentro del tubo de acero, tales como resistencia a la fluencia, resistencia al impacto, dureza, y resistencia a la abrasión. Las realizaciones de los métodos eliminan el paso de templado y revenido de los extremos de un tubo de acero para compensar el adelgazamiento de la pared durante las operaciones de roscado. Las realizaciones de los métodos también ajustan las tolerancias dimensionales y reducen las tensiones residuales dentro de los tubos de acero.

Description

MÉTODOS DE FABRICACIÓN DE TUBOS DE ACERO PARA VARILLAS DE PERFORACIÓN CON PROPIEDADES MECÁNICAS MEJORADAS. Y VARILLAS OBTENIDAS A TRAVÉS DE LOS MISMOS Campo de la Invención Las modalidades de la presente descripción se refieren a tubos de acero de fabricación y, en ciertas modalidades, se refieren a métodos de producción de tubos de acero para sistemas de perforación de extracción de núcleo por cable para la exploración geológica y minera.
Antecedentes de la Invención Los tubos de acero se utilizan en varillas de perforación para la exploración minera. En particular, los tubos de acero se pueden utilizar en los sistemas de perforación de extracción de núcleo por cable. El objetivo de la perforación de extracción de núcleo es recuperar una muestra de núcleo, es decir, un cilindro largo de roca, que los geólogos pueden analizar para determinar la composición de la roca bajo el suelo. Un sistema de perforación de extracción de núcleo por cable incluye una serie de tubos de acero (también llamados varillas o tubos) que están unidos entre sí (por ejemplo, por roscas). El tren incluye un saca testigos en el extremo inferior del mismo en un pozo. El saca testigos incluye, en su parte inferior, una broca de diamante de corte. El saca testigos también incluye un tubo interno y un tubo exterior. Cuando la sarta de perforación gira, la broca corta la roca, permitiendo que el núcleo ingrese en el tubo interno del saca testigo. La muestra del núcleo se retira de la parte inferior del orificio a través de un pescante que se baja en el extremo de un cable. El pescante se adhiere a la parte superior del tubo de núcleo interno y el cable se tira hacia atrás, desconectando el tubo interno del saca testigos. El tubo interno es entonces izado a la superficie dentro del tren de varillas de perforación. Después de que el núcleo se retira, el tubo interno se deja caer en el saca testigos externo y se reanuda la perforación. Por lo tanto, el sistema de cable no requiere retirar las sartas de varillas para izar el saca testigos a la superficie, como en la perforación de núcleo convencional, permitiendo un gran ahorro de tiempo.
En particular, tubos de acero sin costura o soldados se pueden utilizar en las varillas de perforación y saca testigos. Las varillas de acero se pueden moldear, perforar y laminar o laminar y soldar con el fin de obtener tubos de acero. Los tubos de acero pueden someterse a otros procesos y tratamientos térmicos para obtener un producto final. El proceso estándar de fabricación de este producto incluye el temple y revenido en ambos extremos de cada tubo antes de roscar para incrementar las propiedades mecánicas en los extremos, dado que la conexión entre los tubos es integral para la exploración minera. El temple y revenido en los extremos de las varillas se ha utilizado dado que el espesor de pared de los tubos puede reducirse en casi un 50% respecto del espesor original al roscarse el tubo. Por lo tanto, con el fin de compensar la pérdida de material en el tubo, las propiedades mecánicas en los extremos se incrementan mediante el temple y revenido. La eliminación de este proceso, sólo en ambos extremos de la barra, simplificaría la producción de un producto final.
Los tubos de acero utilizados como varillas de perforación por cable (WLDR) necesitan ciertas tolerancias dimensionales, es decir, consistencia del diámetro externo e interno, concentricidad, y rectitud. La razón de estas tolerancias dimensionales ajustadas es doble. Por un lado, las varillas terminadas, en la fabricación, tienen conexiones a nivel que son integrales en la operación. No se utilizan acoples. Si la geometría del tubo no tiene las dimensiones adecuadas, el procedimiento de roscado puede crear vibraciones de tubo. Además, los filetes pueden quedar incompletos y los tubos pueden carecer del espesor de pared remanente en el roscado. Por otro lado, durante el funcionamiento en campo la WLDR se hace girar a una velocidad muy alta, de hasta aproximadamente 1700 rpm, lo cual requiere la concentricidad adecuada para evitar vibraciones en la columna de varillas. También, se necesita una ajustada tolerancia dimensional para el diámetro interno con el fin de levantar el saca testigos de una manera suave y sin interrupciones. Por estas razones, los tubos estirados en frío se han utilizado para WLDR de alto rendimiento. Si los tubos son templados y revenidos por completo después del estirado en frío, con el fin de mejorar las propiedades mecánicas, las tolerancias dimensionales en el diámetro exterior e interno son negativamente afectadas. Por lo tanto, los tubos estándar utilizados en el mercado son tubos estirados en frío sin tensión (SR). El tratamiento térmico de eliminación de tensión se realiza sobre los tubos para reducir las tensiones residuales. Sin embargo, la micro estructura resultante de un tubo SR laminado en caliente y luego estirado en frío es sustancialmente ferrita-perlita con una resistencia al impacto relativamente pobre. Debido a la micro estructura de ferrita-perlita formada, los fabricantes de WLDR están obligados a templar y revenir ambos extremos del tubo donde se tornearán las roscas con el fin de mejorar las propiedades mecánicas en estas zonas críticas. El templado y revenido final es una operación crítica, pero costosa. Además, el cuerpo de tubo se mantiene con la micro estructura ferrita-perlita original con una resistencia al impacto pobre. En campo se producen fallas debido a la micro estructura de ferrita-perlita dentro del cuerpo del tubo. En algunos casos, las hendiduras producidas el agarre de la máquina propagan una grieta larga que no se interrumpe, dando origen a una falla muy severa. Además de ello, existe una fuerte limitación en la resistencia mecánica que se puede lograr a través de estirado en frío. Por lo tanto, la resistencia a la abrasión de WLDR en el cuerpo de tubo es relativamente pobre, y muchas varillas tienen que ser desechadas antes de alcanzar el límite de vida útil.
Las condiciones de operación para la exploración minera son muy exigentes. Los tubos de acero utilizados en la exploración minera se ven afectados por, al menos, fuerzas de torsión, fuerzas de tensión, y fuerzas de flexión. Debido a las exigentes tensiones impuestas a los tubos de acero, las características estándar preferidas para las varillas de perforación son un límite elástico de al menos aproximadamente 620 MPa, una resistencia a la tracción de al menos aproximadamente 724 MPa, y un alargamiento de al menos 15%. Para las varillas actualmente en el mercado, las principales deficiencias son baja tenacidad, dureza relativamente baja, y propiedades mecánicas débiles.
Una alta resistencia a la abrasión es en consecuencia deseable para los tubos de acero para las varillas de perforación, así como buenas propiedades mecánicas como una alta resistencia al impacto, manteniendo a la vez buenas tolerancias dimensionales. Así, hay una necesidad de mejorar estas propiedades respecto de los tubos de acero convencionales.
Breve Descripción de la Invención Las modalidades de la presente descripción se refieren a tubos o caños de acero y métodos de fabricación de los mismos.
En algunas modalidades, un método de fabricación de un tubo de acero comprende colar acero que tiene una composición determinada en una barra o bloque. La composición comprende aproximadamente de 0.18 a aproximadamente 0.32% en peso de carbono, aproximadamente 0.3 a aproximadamente 1.6% en peso de manganeso, aproximadamente 0.1 a aproximadamente 0.6% en peso de silicio, 0.005 a 0.08% en peso dé aluminio, aproximadamente 0.2 a aproximadamente 1.5% en peso de cromo, aproximadamente 0.2 a aproximadamente 1.0% en peso de molibdeno, y el resto comprende hierro e impurezas. La cantidad de cada elemento se proporciona en base al peso total de la composición del acero. Es posible obtener un tubo a partir de la composición, el tubo puede ser templado desde una temperatura austenítica para formar un tubo templado. En algunas modalidades, la temperatura austenítica es al menos aproximadamente 50°C superior a la temperatura AC3 y menos de aproximadamente 150°C por sobre la temperatura AC3. En algunas modalidades, el templado se realiza a partir de una temperatura austenítica a una velocidad de al menos aproximadamente 20°C / segundo. El tubo puede entonces ser estirado en frío y revenido para formar un tubo de acero. En algunas modalidades, el estirado en frío resulta en aproximadamente un 6% de reducción de área del tubo.
En algunas modalidades, el tubo templado puede ser revenido antes de estirado en frío. En algunas modalidades, el tubo templado puede ser enderezado antes de estirado en frío. El tubo también puede ser enderezado antes de que el revenido final.
En algunas modalidades, el tubo se forma por perforación y laminado en caliente de una barra. En otras modalidades, el tubo se forma por soldadura de una plancha en un tubo por soldadura por resistencia eléctrica (ERW). En algunas modalidades, el tubo puede ser estirado en frío antes de templarlo desde una temperatura austenítica. El estirado en frío puede reducir el área de la sección transversal del tubo en al menos un 15%.
En algunas modalidades, la micro estructura del tubo de acero es al menos aproximadamente 90% martensita revenida. En algunas modalidades, el tubo de acero tiene al menos un extremo roscado que no ha sido tratado térmicamente de manera diferente de otras porciones de tubo de acero.
En algunas modalidades, la composición de acero comprende además de aproximadamente 0.2 a aproximadamente 0.3% en peso de carbono, aproximadamente 0.3 a aproximadamente 0.8% en peso de manganeso, aproximadamente 0.8 a aproximadamente 1.2% en peso de cromo, de aproximadamente 0.01 a aproximadamente 0.04% en peso de niobio, aproximadamente de 0.004 a aproximadamente de 0.03% en peso de titanio, aproximadamente 0.0004 a aproximadamente 0.003% en peso de boro, en tanto el resto comprende hierro e impurezas. La cantidad de cada elemento se proporciona en base al peso total de la composición del acero.
En algunas modalidades, un tubo de acero se puede fabricar de acuerdo con los métodos descritos anteriormente. En algunas modalidades, se puede fabricar una varilla de perforación que comprende un tubo de acero. En algunas modalidades, los tubos de acero se pueden utilizar para explotación minera.
En algunas modalidades, un método de fabricación de un tubo de acero para uso como varilla de perforación en un sistema de cable comprende colar un acero que tiene una composición determinada en una barra o plancha. La composición comprende aproximadamente 0.2 a aproximadamente 0.3% en peso de carbono, aproximadamente 0.3 a aproximadamente 0.8% en peso de manganeso, aproximadamente 0.1 a aproximadamente 0.6% en peso de silicio, aproximadamente 0.8 a aproximadamente 1.2% en peso de cromo, aproximadamente de 0.25 a aproximadamente de 0.95% en peso de molibdeno, aproximadamente de 0.01 a aproximadamente 0.04% en peso de niobio, aproximadamente de 0.004 a aproximadamente de 0.03% en peso de titanio, aproximadamente 0.005 a aproximadamente 0.080% en peso de aluminio, aproximadamente 0.0004 a aproximadamente 0.003% en peso de boro, hasta aproximadamente 0.006% en peso de azufre, hasta aproximadamente de 0.03% en peso de fósforo, hasta aproximadamente 0.3% en peso de níquel, hasta aproximadamente 0.02% en peso de vanadio, hasta aproximadamente de 0.02% en peso de nitrógeno, hasta aproximadamente 0.008% en peso de calcio, hasta aproximadamente 0.3% en peso de cobre, en tanto el resto comprende hierro e impurezas. La cantidad de cada elemento se proporciona en base al peso total de la composición del acero. En algunas modalidades, un tubo puede ser formado a partir de la barra o plancha, que a continuación se puede templar a aproximadamente la temperatura ambiente. El tubo puede ser estirado en frío en una operación de estirado en frío primero para lograr una reducción de área de aproximadamente 15% a aproximadamente 30% y obtener un tubo con un diámetro exterior entre aproximadamente 38 mm y aproximadamente 144 mm y un diámetro interno de entre aproximadamente 25 mm y aproximadamente 130 mm. El tubo puede entonces ser tratado con calor a una temperatura austenizante entre aproximadamente 50°C por encima de AC3 y menos de aproximadamente 150°C por encima de AC3, a lo que sigue el templado a aproximadamente la temperatura ambiente a un mínimo de 20°C / segundo. El tubo puede entonces ser estirado en frío por segunda vez para efectuar una reducción de área de aproximadamente 6% a aproximadamente 14% para obtener un tubo con un diámetro exterior de aproximadamente 34 mm a aproximadamente 140 mm y un diámetro interno de aproximadamente 25 mm a aproximadamente 130 mm. Un segundo tratamiento térmico se puede realizar calentando el tubo a una temperatura de aproximadamente 400°C a aproximadamente 600°C durante aproximadamente 15 minutos a aproximadamente una hora para proporcionar alivio de tensión al tubo. El tubo puede entonces ser templado a aproximadamente la temperatura ambiente a una velocidad de entre aproximadamente 0.2°C / segundo y aproximadamente de 0.7°C / segundo. Después del procesamiento, el tubo puede tener una micro estructura de aproximadamente 90% o más de martensita revenida y un tamaño medio de grano de aproximadamente ASTM 7 o más fino. El tubo también puede tener las siguientes propiedades: una resistencia a la tracción por encima de aproximadamente 965 MPa, alargamiento por encima de aproximadamente 13%, dureza entre aproximadamente 30 y aproximadamente 40 HRC, una resistencia al impacto por encima de aproximadamente 30 J en la dirección longitudinal a la temperatura ambiente sobre la base de una muestra de 10 x 3.3 mm, y tensiones residuales de menos de aproximadamente 150 MPa.
En algunas modalidades, el tubo puede formarse por perforación y laminado en caliente de una barra en un tubo sin costuras a una temperatura entre aproximadamente 1000 y aproximadamente 1300eC. En otras modalidades, una plancha puede ser soldada en un tubo por ERW.
En algunas modalidades, la composición del tubo de acero comprende además de aproximadamente 0.24 a aproximadamente 0.27% en peso de carbono, aproximadamente 0.5 a aproximadamente 0.6% en peso de manganeso, aproximadamente 0.2 a aproximadamente 0.3% en peso de silicio, aproximadamente de 0.95 a aproximadamente de 1.05% en peso de cromo, de aproximadamente 0.45 a aproximadamente 0.50% en peso de molibdeno, aproximadamente 0.02 a aproximadamente 0.03% en peso de niobio, aproximadamente 0.008 a aproximadamente 0.015% en peso de titanio, aproximadamente 0.010 a aproximadamente 0.040% en peso de aluminio, aproximadamente de 0.0008 a aproximadamente de 0.0016% en peso de boro, hasta aproximadamente 0.003% en peso de azufre, hasta aproximadamente de 0.015% en peso de fósforo, hasta aproximadamente de 0.15% en peso de níquel, hasta aproximadamente 0.01% en peso de vanadio, hasta aproximadamente de 0.01% en peso de nitrógeno, hasta aproximadamente 0.004% en peso de calcio, hasta aproximadamente de 0.15% en peso de cobre en tanto el resto comprende hierro e impurezas. La cantidad de cada elemento se proporciona en base al peso total de la composición del acero En algunas modalidades, la composición del acero comprende esencialmente de aproximadamente 0.2 a aproximadamente 0.3% en peso de carbono, aproximadamente 0.3 a aproximadamente 0.8% en peso de manganeso, aproximadamente 0.1 a aproximadamente 0.6% en peso de silicio, aproximadamente 0.8 a aproximadamente 1.2% en peso de cromo, aproximadamente de 0.25 a aproximadamente de 0.95% en peso de molibdeno, aproximadamente de 0.01 a aproximadamente 0.04% en peso de niobio, aproximadamente de 0.004 a aproximadamente de 0.03% en peso de titanio, aproximadamente 0.005 a aproximadamente 0.080% en peso de aluminio, aproximadamente 0.0004 a aproximadamente 0.003% en peso de boro, hasta aproximadamente 0.006% en peso de azufre, hasta aproximadamente de 0.03% en peso de fósforo, hasta aproximadamente 0.3% en peso de níquel, hasta aproximadamente 0.02% en peso de vanadio, hasta aproximadamente de 0.02% en peso de nitrógeno, hasta aproximadamente 0.008% en peso de calcio, hasta aproximadamente 0.3% en peso de cobre en tanto el resto comprende hierro e impurezas. La cantidad de cada elemento se proporciona en base al peso total de la composición del acero.
En algunas modalidades, las roscas se proporcionan en el extremo del tubo de acero final sin tratamientos térmicos adicionales después del segundo tratamiento térmico. En algunas modalidades, el tubo de acero final con los extremos roscados tiene una micro estructura sustancialmente uniforme.
En algunas modalidades, el tubo se puede enderezar después de la primera operación de tratamiento térmico y antes de la segunda operación de estirado en frío. En algunas modalidades, el tubo se puede enderezar después de la segunda operación de estirado en frío y antes de la segunda operación de tratamiento térmico.
En algunas modalidades, la primera operación de tratamiento comprende además revenir el tubo templado a una temperatura de 400°C a 700°C durante aproximadamente 15 minutos a aproximadamente 60 minutos y templar el tubo a aproximadamente la temperatura ambiente a una velocidad de aproximadamente 0.2°C / segundo a aproximadamente 0.7°C / segundo.
En algunas modalidades, un tubo de acero se puede fabricar de acuerdo con los métodos descritos anteriormente. En algunas modalidades, se puede fabricar una varilla de perforación que comprende un tubo de acero. En algunas modalidades, se puede fabricar una varilla de perforación que comprende un tubo de acero. En algunas modalidades, los tubos de acero se pueden utilizar en explotación minera.
En algunas modalidades, un sistema de perforación de extracción de núcleo por cable utilizado en la minería y exploración geológica puede comprender un tren de perforación que comprende una pluralidad de tubos de acero unidos entre sí. Los tubos de acero se pueden fabricar y tienen las mismas composiciones de acuerdo con los métodos descritos anteriormente. El sistema puede tener un saca testigos en el extremo de la sarta de perforación. El saca testigos puede comprender un tubo interno y un tubo externo en tanto el tubo externo está conectado a una broca de diamante de corte.
Breve Descripción de los Dibujos Figura 1 es un diagrama de flujo de un ejemplo de método de fabricación de un tubo de acero compatible con ciertas modalidades descritas en la presente memoria.
Figura 2 ilustra un sistema de perforación de extracción de núcleo por cable.
Descripción Detallada de la Invención Las modalidades de la presente invención proporcionan tubos (por ejemplo, tuberías, varillas tubulares y barras tubulares) que tienen una composición de acero determinada, y métodos de fabricación. En particular, los tubos de acero pueden ser tubos sin costura o soldados. Los tubos de acero se pueden utilizar, por ejemplo, como varillas de perforación de exploración minera, tales como varillas de perforación de núcleo de diamante para sistemas por cable según se expone en la presente. Sin embargo, los tubos de acero descritos en la presente memoria se pueden utilizar también en otras aplicaciones.
El término "tubo" tal como se utiliza en la presente memoria es un término amplio e incluye su sentido ordinario y se refiere también a un elemento en general hueco, recto, alargado que puede adoptar una forma predeterminada, y cualquier forma adicional necesaria para fijarlo en el lugar previsto. El tubo puede tener una superficie externa y una superficie interna sustancialmente circular, aunque otras formas y secciones transversales también se contemplan.
Los términos "aproximadamente", "alrededor", y "sustancialmente" tal como se utilizan en la presente memoria representan una cantidad cercana a la cantidad indicada que todavía cumple la función deseada o logra un resultado deseado. Por ejemplo, los términos "aproximadamente", "alrededor", y "sustancialmente" pueden referirse a una cantidad que está 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, y dentro de menos de 0.01% de la cantidad indicada.
El término "temperatura ambiente" como se usa en la presente memoria tiene su significado ordinario conocido por los expertos en la técnica y pueden incluir temperaturas entre aproximadamente 16°C (60°F) y aproximadamente 32°C (90°F).
El término "hasta aproximadamente" tal como se utiliza en la presente memoria tiene su significado ordinario conocido por los expertos en la técnica y pueden incluir 0% en peso, un % en peso mínimo o vestigios, el % en peso dado, y todos los valores entre ellos.
En general, las modalidades de la presente descripción comprenden aceros al carbono y métodos de fabricación del mismo. Conforme se expone en mayor detalle a continuación, a través de una combinación de la composición del acero y los pasos de procesamiento, se puede lograr una micro estructura final que da lugar a propiedades mecánicas seleccionadas de interés, incluyendo una o más entre resistencia mínima, resistencia a la tracción, resistencia al impacto, dureza, y resistencia a la abrasión. Por ejemplo, el tubo puede ser sujeto a un proceso de estirado en frío después de ser templado desde una temperatura austenítica para formar un tubo de acero con las propiedades, micro estructura, y tolerancias dimensionales deseadas.
La composición del acero de ciertas modalidades de la presente descripción comprende una aleación de acero que contiene carbono (C) y otros elementos de aleación tales como manganeso (Mn), silicio (Si), cromo (Cr), aluminio (Al) y molibdeno (Mo). Además, uno o más de los siguientes elementos pueden estar opcionalmente presentes y/o agregarse: vanadio (V), níquel (Ni), niobio (Nb), titanio (Ti), boro (B), nitrógeno (N), calcio (Ca), y cobre (Cu). El resto de la composición comprende hierro (Fe) e impurezas. En ciertas modalidades, la concentración de impurezas puede ser reducida a una cantidad tan baja como sea posible. Las modalidades de impurezas pueden incluir, entre otras, azufre (S) y fósforo (P). Residuos de plomo (Pb), estaño (Sn), antimonio (Sb), arsénico (As) y bismuto (Bi) se pueden encontrar en un máximo combinado de 0.05% en peso.
Los elementos en las modalidades de la composición de acero pueden ser proporcionados según se indica a continuación en Tabla I, donde las concentraciones se expresan en % en peso a menos que se indique lo contrario. Las modalidades de composiciones de acero pueden incluir un subconjunto de elementos de los que figuran en Tabla I. Por ejemplo, uno o más de los elementos enumerados en Tabla I puede no ser necesario en la composición del acero. Además, algunas modalidades de composiciones de acero pueden consistir o consistir esencialmente de los elementos enumerados en Tabla I, o puede consistir en o consistir esencialmente de un subconjunto de los elementos enumerados en Tabla I. Para las composiciones proporcionadas en toda esta memoria, se advertirá que pueden tener los valores exactos o intervalos descritos, o las composiciones pueden tener aproximadamente los valores o intervalos indicados.
Tabla I. Intervalos de composición del acero (% en peso) luego de las operaciones de fabricación C es un elemento cuya incorporación eleva de un modo económico la resistencia del acero. Si el contenido de C es inferior a aproximadamente 0.18% en peso, en algunas modalidades puede ser difícil obtener la resistencia deseada en el acero. Por otra parte, en algunas modalidades, si la composición del acero tiene un contenido de C superior a aproximadamente 0.32% en peso, la dureza puede ser afectada. El contenido general de C preferentemente oscila entre aproximadamente 0.18 y aproximadamente 0.32% en peso. Un intervalo preferido para el contenido de C va de aproximadamente 0.20 a aproximadamente 0.30% en peso. Más aún el contenido de C oscila aproximadamente entre 0.24 y aproximadamente 0.27% en peso.
El Mn es un elemento cuya adición es eficaz para aumentar la templabilidad del acero, incrementando la resistencia y la tenacidad del acero. Si el contenido de Mn es demasiado bajo, puede ser difícil en algunas modalidades obtener la resistencia deseada en el acero. Sin embargo, si el contenido de Mn es demasiado alto, en algunas modalidades se marcan estructuras en bandas y disminuye la dureza. En consecuencia, el contenido general de Mn es de aproximadamente 0.3 a aproximadamente 1.6% en peso, preferiblemente de aproximadamente 0.3 a aproximadamente 0.8% en peso, más aún de aproximadamente 0.5 a aproximadamente 0.6% en peso.
S es un elemento que hace que la tenacidad del acero disminuya. En consecuencia, el contenido general de S del acero en algunas modalidades se limita a aproximadamente 0.01% en peso, preferiblemente se limita a aproximadamente 0.006% en peso, más aún se limita a aproximadamente 0.003% en peso.
P es un elemento que hace que la tenacidad del acero disminuya. En consecuencia, el contenido general de P del acero en algunas modalidades se limita a aproximadamente 0.03% en peso, preferiblemente hasta aproximadamente 0.015% en peso.
Si es un elemento cuya adición tiene un efecto desoxidante durante el proceso de fabricación de acero y también aumenta la resistencia del acero. Si el contenido de Si es demasiado bajo, el acero en algunas modalidades puede ser susceptible a la oxidación, con un alto nivel de micro-inclusiones. Por otro lado, sin embargo, si el contenido de Si del acero es demasiado alto, en algunas modalidades, tanto la tenacidad como la capacidad de conformación del acero disminuyen. Por lo tanto, el intervalo general de contenido de Si es de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 0.6% en peso, preferiblemente de aproximadamente 0.2 a aproximadamente 0.3% en peso.
Ni es un elemento cuya adición aumenta la fuerza y la tenacidad del acero. Sin embargo, Ni es muy costoso y, en ciertas modalidades, el contenido de Ni de la composición del aceró se limita a aproximadamente 1.0% en peso, preferiblemente se limita a aproximadamente 0.3% en peso, más aún se limita a aproximadamente 0.15% en peso.
Cr es un elemento cuya adición aumenta la capacidad de endurecimiento y resistencia al revenido del acero. Por lo tanto, es deseable para lograr altos niveles de resistencia. En una modalidad, si el contenido de Cr de la composición del acero es menor de aproximadamente 0.2% en peso, puede ser difícil obtener la resistencia deseada. En otras modalidades, si el contenido de Cr de la composición del acero excede aproximadamente 1.5% en peso, la tenacidad puede disminuir. Por lo tanto, en ciertas modalidades, el contenido de Cr de la composición del acero puede variar dentro del intervalo entre aproximadamente 0.2 a aproximadamente 1.5% en peso, preferiblemente de aproximadamente 0.8 a aproximadamente 1.2% en peso, más aún de aproximadamente 0.95 a aproximadamente 1.05% en peso.
Mo es un elemento cuya adición es eficaz para aumentar la resistencia del acero y además ayuda a retardar el ablandamiento durante el revenido. El agregado de Mo también puede reducir la segregación de fósforo a los límites de grano, mejorando la resistencia a la fractura intergranular. En una modalidad, si el contenido de Mo es menos de aproximadamente 0.2% en peso, puede ser difícil obtener la resistencia deseada en el acero. Sin embargo, esta aleación de hierro es cara, por lo que es deseable reducir el contenido máximo de Mo dentro de la composición del acero. Por lo tanto, en ciertas modalidades, el contenido de Mo dentro de la composición del acero puede variar dentro del intervalo entre aproximadamente 0.2 a aproximadamente 1.0% en peso, preferiblemente de aproximadamente 0.25 a aproximadamente 0.95% en peso, más aún de aproximadamente 0.45 a aproximadamente 0.50% en peso.
V es un elemento cuya adición se puede utilizar para aumentar la resistencia del acero por las precipitaciones de carburo durante el revenido. En algunas modalidades, si el contenido de V de la composición del acero es demasiado grande, una fracción de volumen elevada de partículas de carburo de vanadio puede formarse, con la consiguiente reducción en la tenacidad del acero. Por lo tanto, en ciertas modalidades, el contenido de V de la composición del acero puede ser limitado hasta aproximadamente 0.1% en peso, preferiblemente se limita a aproximadamente 0.02% en peso, más aún se limita a aproximadamente 0.01% en peso.
Nb es un elemento cuya adición a la composición de acero puede retinar el tamaño de grano austenítico del acero durante la laminación en caliente, con el consiguiente aumento en la fuerza y la tenacidad. Nb también puede precipitarse durante el revenido, aumentando la resistencia del acero por endurecimiento por dispersión de partículas. En una modalidad, el contenido de Nb de la composición del acero puede ser limitado hasta aproximadamente 0.08% en peso, preferiblemente de aproximadamente 0.01 a aproximadamente 0.04% en peso, más aún de aproximadamente 0.02 a aproximadamente 0.03% en peso.
Ti es un elemento cuya adición es eficaz para aumentar la eficacia de B en el acero. Si el contenido de Ti es demasiado bajo, puede ser difícil en algunas modalidades obtener la deseada templabilidad del acero. Sin embargo, en algunas modalidades, si el contenido de Ti es demasiado alto, la maleabilidad del acero disminuye. En consecuencia, el contenido general de Ti del acero se limita a aproximadamente 0.1% en peso, preferiblemente de aproximadamente 0.004 a aproximadamente 0.03% en peso, más aún de aproximadamente 0.008 a aproximadamente 0.015% en peso.
Al es un elemento cuya adición a la composición de acero tiene un efecto desoxidante durante el proceso de fabricación de acero y refina aún más el tamaño del grano del acero. Por lo tanto, el contenido de Al de la composición del acero puede variar dentro del intervalo entre aproximadamente 0.005% en peso y aproximadamente 0.08% en peso, preferiblemente de aproximadamente 0.01% en peso a aproximadamente 0.04% en peso.
B es un elemento cuya adición es eficaz para aumentar la templabilidad del acero. Si el contenido de B es demasiado bajo, puede ser difícil en algunas modalidades obtener la deseada templabilidad del acero. Sin embargo, en algunas modalidades, si el contenido de B es demasiado alto, la maleabilidad del acero disminuye. En consecuencia, el contenido general de B del acero se limita a aproximadamente 0.008% en peso, más aún de aproximadamente 0.0004 a aproximadamente 0.003% en peso, más aún de aproximadamente 0.0008 a aproximadamente 0.0016% en peso.
N es un elemento que hace que la tenacidad y la maleabilidad del acero disminuyan. En consecuencia, el contenido general de N del acero se limita a aproximadamente 0.02% en peso, preferiblemente se limita a aproximadamente 0.010% en peso.
Ca es un elemento cuya adición a la composición de acero puede mejorar la tenacidad mediante la modificación de la forma de las inclusiones de sulfuro. En algunas modalidades de la composición del acero, un exceso de Ca no es necesario y la composición del acero puede limitarse a 0.008% en peso, preferiblemente a aproximadamente 0.004% en peso.
Cu es un elemento que no es necesario en ciertas modalidades de la composición del acero. Sin embargo, dependiendo del proceso de fabricación de acero, la presencia de Cu puede ser inevitable. Así, en ciertas modalidades, el contenido de Cu de la composición del acero puede limitarse a aproximadamente de 0.30% en peso, preferiblemente hasta aproximadamente de 0.15% en peso.
El oxígeno puede ser una impureza en la composición del acero que está presente principalmente en forma de óxidos. En una modalidad de la composición del acero, a medida que aumenta el contenido de oxígeno, las propiedades de impacto del acero se deterioran. Por consiguiente, en ciertas modalidades de la composición del acero, un contenido de oxígeno relativamente bajo es deseable, de hasta aproximadamente 0.0050% en peso, preferiblemente de hasta aproximadamente 0.0025% en peso.
El contenido de impurezas inevitables, incluyendo, entre otras, Pb, Sn, As, Sb, B¡ y similares, se mantiene preferiblemente lo más bajo posible. Además, las propiedades (por ejemplo, fuerza, dureza) de los aceros formados a partir de las modalidades de las composiciones de acero de la presente descripción pueden no ser afectadas sustancialmente proporcionado estas impurezas por debajo de los niveles seleccionados. En algunas modalidades, el contenido de Pb de la composición del acero puede ser de hasta aproximadamente 0.005% en peso. En otras modalidades, el contenido de Sn de la composición del acero puede ser de hasta aproximadamente 0.02% en peso. En otras modalidades, el contenido de As de la composición del acero puede ser de hasta aproximadamente 0.012% en peso. En otras modalidades, el contenido de Sb de la composición del acero puede ser de hasta aproximadamente 0.008% en peso. En otras modalidades, el contenido de Bi de la composición del acero puede ser de hasta aproximadamente 0.003% en peso. Preferiblemente, el total combinado de las impurezas se limita a aproximadamente 0.05% en peso.
Una modalidad de un método 100 de fabricación de un tubo de acero se ilustra en figura 1. En el bloque operativo 102, se provee una composición de acero que forma una barra de acero (por ejemplo, varilla) o plancha (por ejemplo, placa). La composición del acero, en un ejemplo es la composición del acero expuesta anteriormente en Tabla I. La fusión de la composición del acero se puede hacer en un horno de arco eléctrico (EAF), con un sistema EBT. La desoxidación del aluminio se puede utilizar para producir un acero de grano fino totalmente muerto. La refinación de acero líquido se puede realizar por control de la escoria y burbujeo de gas argón en el horno de cuchara. El tratamiento de inyección de Ca-Si se puede realizar para el control de las formas de inclusión no metálicas residuales. Las barras (barras redondas, por ejemplo) pueden ser fabricadas por colada continua o colada continua seguida de laminación. Las barras pueden, por ejemplo, tener un diámetro exterior de aproximadamente 150 mm a aproximadamente 190 mm. Después del calentamiento, las barras son enfriadas a aproximadamente temperatura ambiente. Las planchas (por ejemplo, placas) pueden fabricarse por colada continua.
En el bloque operativo 104, en algunas modalidades, los tubos sin costura se fabrican por perforación y laminado de barras de acero macizas. Las operaciones de laminación (por ejemplo, laminación en caliente y laminación por estiramiento) se pueden realizar a alta temperatura con un laminador de mandril retenido, laminador de mandril flotante, o procesos del tipo "plug mili". Por ejemplo, las condiciones de alta temperatura pueden comprender una temperatura de aproximadamente 1.000°C a aproximadamente 1.300°C. Después de la laminación en caliente y laminación por estiramiento, el tubo se puede enfriar a aproximadamente la temperatura ambiente a una velocidad de aproximadamente 0.5 a aproximadamente 2°C / segundo. Por ejemplo, el tubo puede ser refrigerado por aire, como aire tranquilo. Después de las operaciones de laminado, los tubos pueden tener un diámetro exterior de aproximadamente 40 mm a aproximadamente 150 mm, un espesor de pared de aproximadamente 4 mm a aproximadamente 12 mm y un diámetro interno de aproximadamente 25 mm a aproximadamente 130 mm.
En el bloque operativo 104, en algunas modalidades, los tubos soldados pueden ser fabricados por laminado en caliente de planchas de acero colado y luego moldeando y soldando las planchas en un tubo circular usando soldadura por resistencia de eléctrica (ERW). Después de la ERW, los tubos pueden tener un diámetro exterior de aproximadamente 40 mm a aproximadamente 150 mm, un espesor de pared de aproximadamente 4 mm a aproximadamente 12 mm y un diámetro interno de aproximadamente 25 mm a aproximadamente 130 mm.
En el bloque operativo 106, los tubos pueden ser estirados en frío después del laminado en caliente o moldeado, como estirados en frío sobre un mandril. Opcionalmente, antes del estirado en frío, el tubo puede ser sometido a un primer tratamiento térmico a una temperatura de aproximadamente 800°C a aproximadamente 860°C, o a una temperatura de aproximadamente 50°C a aproximadamente 150°C por encima de AC3, seguido de un templado a aproximadamente la temperatura ambiente a una velocidad de aproximadamente 0.2 a aproximadamente 0.6°C / segundo. El estirado en frío puede dar lugar a una reducción de área de aproximadamente 15% a aproximadamente 30%. La reducción de área se refiere a la disminución del área de sección transversal perpendicular al eje del tubo, como resultado del estiramiento. El estirado en frío se puede realizar aproximadamente a temperatura ambiente. Después del estirado en frío, los tubos pueden tener un diámetro exterior de aproximadamente 38 mm a aproximadamente 144 mm, un espesor de pared de aproximadamente 2.5 mm a aproximadamente 10 mm y un diámetro interno de aproximadamente 25 mm a aproximadamente 130 mm.
En el bloque operativo 108, después de la primera etapa de estirado en frío, los tubos pueden ser sometidos a un primer tratamiento térmico. El primer tratamiento térmico incluye el calentamiento del tubo por encima de la temperatura austenítica y templado del tubo para formar un tubo templado. El tratamiento térmico puede realizarse en líneas automatizadas, con el ciclo de tratamiento térmico definido de acuerdo al diámetro, espesor de pared y la calidad del acero del tubo. Los tubos se pueden calentar a temperatura de austenización al menos aproximadamente 50°C sobre la temperatgra AC3 y menos de aproximadamente 150°C sobre la temperatura AC3, preferiblemente aproximadamente 75°C por encima de AC3. El tubo puede entonces ser templado desde la temperatura de austenización a menos de aproximadamente 80°C a una velocidad mínima de aproximadamente de 20°C / segundo. El templado se puede realizar bien en un tanque de temple por templado interno y externo o por medio de cabezales de temple por templado externo. Se puede usar agua para enfriar el tubo. El primer tratamiento térmico también puede incluir revenido. La temperatura de revenido y el tiempo pueden definirse con el fin de conseguir las propiedades mecánicas propuestas para el producto final. Por ejemplo, el revenido se puede realizar a aproximadamente 400°C a aproximadamente 700°C durante un tiempo de aproximadamente 15 minutos a aproximadamente 60 minutos. Después del revenido, el tubo se puede enfriar a aproximadamente la temperatura ambiente a una velocidad de aproximadamente 0.2°C / segundo a aproximadamente 0.7°C / segundo, como por templado en aire, o en el interno de un túnel de templado del horno. Este revenido puede ser sustituido por el tratamiento térmico final que se expone más adelante. En el bloque operativo 110, si es necesario enderezar el tubo, es posible aplicar un enderezamiento rotativo.
En el bloque operativo 112, un estirado en frío final se puede realizar sobre el tubo después del primer tratamiento térmico para obtener el tubo final. Los tubos pueden ser estirados en frío después del templado, o después del templado y revenido, a fin de alcanzar las dimensiones finales con las tolerancias deseadas. Por ejemplo, el tubo puede ser estirado en frío sobre un mandril. El estirado en frío final puede resultar en una reducción de área de, como máximo, aproximadamente 30%, preferiblemente de aproximadamente 6% a aproximadamente 14%. El estirado en frío se puede realizar a aproximadamente la temperatura ambiente. Después del estirado en frío final, los tubos pueden tener un diámetro exterior de aproximadamente 34 mm a aproximadamente 140 mm, un espesor de pared de aproximadamente 2 mm a aproximadamente 8 mm y un diámetro interno de aproximadamente 25 mm a aproximadamente 130 mm. En el bloque operativo 114, es posible ejecutar un enderezamiento adicional del tubo, como un enderezamiento rotativo.
En el bloque operativo 116, un tratamiento térmico final que incluye un relevado de esfuerzos / revenido se realiza después del estirado en frío final. La temperatura puede definirse con el fin de conseguir las propiedades mecánicas deseadas para el producto final. Por ejemplo, este tratamiento térmico puede llevarse a cabo a una temperatura de aproximadamente 400°C a aproximadamente 700°C durante un tiempo de aproximadamente 15 minutos a aproximadamente 60 minutos. Después del tratamiento térmico, el tubo se puede enfriar a aproximadamente la temperatura ambiente a una velocidad de aproximadamente 0.2°C / segundo a aproximadamente 0.7°C / segundo, como por templado en aire, o en el interno de un túnel de templado del horno. En algunas modalidades, no se realiza un estiramiento en frío y/o enderezamiento rotativo adicional después del tratamiento térmico final. En otras modalidades, se puede realizar un enderezamiento final después del tratamiento térmico final, como enderezamiento en una prensa enderezadora. En el bloque operativo 118, el tubo se puede probar con ensayos no destructivos (NDT), como las pruebas con técnicas de ultrasonido o electromagnéticas.
La micro estructura final del tubo de acero puede ser principalmente martensita revenida tal como al menos aproximadamente 90% martensita revenida, preferiblemente al menos aproximadamente 95% martensita revenida. El resto de la micro estructura está compuesta de bainita, y, en algunas situaciones, vestigios de ferrita-perlita. El tamaño medio de grano de la micro estructura es de aproximadamente ASTM 7 o más fino. La descarburación completa es inferior a aproximadamente 0.25 mm, preferiblemente inferior a aproximadamente 0.15 mm.
La descarburación se define y se determina según la norma ASTM E-1077. El tipo y tamaño de las inclusiones también se puede minimizar. Por ejemplo, la Tabla II enumera los tipos y límites de inclusiones para las composiciones siderúrgicas descritas aquí de acuerdo con ASTM E-45. Las normas ASTM E-1077 y ASTM E-45 se incorporan por completo a la presente como referencia.
Tabla II. Micro inclusiones (máximo) La micro estructura en los tubos de acero formados a partir de las modalidades de las composiciones de acero cambia a medida que los tubos de acero se forman. Durante la laminación en caliente, la micro estructura es principalmente ferrita y perlita, con algo de bainita y austenita entremezclada. Tras un tratamiento térmico inicial, antes del primer estiramiento en frío, la micro estructura es casi enteramente ferrita y perlita. Esta misma micro estructura también se encuentra durante el estirado en frío de los tubos de acero. Después de que el tubo de acero se ha calentado y templado, la micro estructura dentro del tubo es principalmente martensita. El material es luego revenido y forma una micro estructura de martensita revenida. La martensita revenida continúa siendo la micro estructura dominante ante el estiramiento en frío adicional y el tratamiento térmico final.
Los tubos de acero formados a partir de las modalidades de las composiciones de acero de esta manera pueden poseer un límite elástico de al menos aproximadamente 135 ksi (aproximadamente 930 MPa), una resistencia a la tracción de al menos 140 ksi (aproximadamente 965 MPa), un alargamiento de al menos aproximadamente 13%, y una dureza de aproximadamente 30 a aproximadamente 40 HRC. Además, el material puede tener buena resistencia al impacto. Por ejemplo, el material puede tener una resistencia al impacto de al menos aproximadamente 30 J en una dirección longitudinal a temperatura ambiente con una muestra de 10 mm x 3.3 mm. Las muestras más pequeñas se pueden utilizar para probar la tenacidad de impacto reducida proporcionalmente con el área de la muestra. Además, el tubo de acero puede tener la tensión residual baja en comparación con los materiales convencionales estirados en frío. Por ejemplo, las tensiones residuales puede ser inferiores a aproximadamente 180 MPa, preferiblemente de menos de aproximadamente 150 MPa. Las tensiones residuales bajas se pueden obtener con el proceso de eliminación de tensiones después del estirado en frío y enderezamiento final. Además, utilizando este proceso, se pueden alcanzar tolerancias dimensionales con un proceso de proceso de estiramiento en frío, a diferencia de los tubos templados y revenidos convencionales sin estiramiento en frío que poseen una tolerancia dimensional mayor de aproximadamente 20 - 40% sobre el valor preferido. Además, debido a la mayor dureza, el tubo puede tener una mejor resistencia a la abrasión que mejora el rendimiento del material.
El procedimiento descrito en la presente memoria puede proporcionar ciertos beneficios. Por ejemplo, este proceso puede reducir el número de pasos del proceso de fabricación de varillas de perforación, en comparación con ciertos procesos convencionales. El proceso de templado y revenido en ambos extremos de cada varilla puede ser eliminado antes del proceso de roscado mediante la producción de un tubo que ha sido sometido totalmente templado y revenido antes del estiramiento en frío, generando así ahorros considerables para el adquirente de la varilla. Como resultado de ello, se obtiene una estructura uniforme y homogénea con propiedades mecánicas sin zonas de transición. Si sólo los extremos son templados y revenidos, los extremos presentan una micro estructura de martensita mientras que el cuerpo del tubo presenta una micro estructura de ferrita-perlita. Por lo tanto, los extremos del tubo presentarían una mayor resistencia al impacto que el cuerpo. La variación puede ser cuantificada, por ejemplo, mediante una prueba de dureza o un análisis de micro estructura.
Además, el proceso proporciona un método mejorado de fabricación de tubos para ser usados como varillas de perforación de exploración minera. Como resultado del proceso, puede obtenerse un tubo estirado en frío con bajas tensiones residuales y tolerancias dimensionales estrechas. Los tubos de perforación creados con este proceso, como consecuencia de la dureza del material, pueden tener resistencia a la abrasión y capacidad de detención de grietas que mejoran el rendimiento del material. Las varillas de perforación creadas con este proceso durarán más tiempo, y en caso de producirse una falla, será de mucha menor severidad. Además, con una elevada resistencia al impacto, el comportamiento del material se mejora en comparación con los productos estándar para aplicaciones similares. Como las varillas de perforación creadas con este proceso se pueden utilizar en sistemas de perforación por cable, es posible fabricar varillas más delgadas y livianas para estas aplicaciones. Las varillas estándar tienen un límite de elasticidad de aproximadamente 620 MPa mínimo, una UTS de aproximadamente 724 Pa mínimo, y un alargamiento mínimo de 15% aproximadamente. Las varillas hechas con el procedimiento descrito en la presente memoria se pueden mejorar a un límite de elasticidad de 930 MPa mínimo, una UTS de 965 mínimo, y un alargamiento del 13% como mínimo. El espesor de pared también se puede reducir aproximadamente un 30 - 40% también.
Figura 2 ilustra un ejemplo de un sistema de perforación de extracción de núcleo por cable que incorpora los tubos de acero formados a partir de las modalidades de las composiciones de acero de la manera descrita. Los tubos de acero descritos en la presente memoria se pueden utilizar como varillas de perforación (por ejemplo, sartas de perforación) en sistemas de perforación, tales como sistemas de perforación de extracción de núcleo por cable para exploración minera. Un sistema de perforación de extracción de núcleo por cable 200 incluye un tren de 202 tubos de acero que se unen entre sí (por ejemplo, mediante roscas). El tren 202 puede tener, por ejemplo, entre aproximadamente 500 a aproximadamente 3,500 metros de longitud para alcanzar profundidades de esas longitudes. Cada tubo de acero del tren 202 puede tener, por ejemplo, entre aproximadamente 1.5 metros y aproximadamente 6 metros, más aún puede ser de aproximadamente 3 metros. El tren 202 incluye un saca testigos 204 en el extremo en el orificio. El saca testigos 204 incluye, en su parte inferior, una broca de corte de diamante 206. El saca testigos 204 también incluye un tubo interno y un tubo exterior. El tubo externo puede tener un diámetro exterior de aproximadamente 55 mm a aproximadamente 139 mm, y el tubo interno puede tener un diámetro exterior de aproximadamente 45 mm a aproximadamente 125 mm. Cuando la sarta de perforación 202 gira (por ejemplo, hasta 1700 revoluciones por minuto aproximadamente), la broca 206 corta la roca, empujando el núcleo al tubo interno del saca testigos 204. A medida que la broca excava más profundo en la tierra, el operario añade varillas sobre el extremo superior, alargando la sarta de perforación 202. La muestra del núcleo es retirada por la parte inferior del orificio a través de un pescante que se baja en el extremo de un cable. El pescante se adhiere a la parte superior del tubo interno del saca testigos y el cable se tira hacia atrás para desacoplar el tubo interno del saca testigos 204. El tubo interno es luego izado a la superficie dentro del tren de varillas de perforación 202. Un sistema de refrigeración, tal como una bomba de circulación 208, se usa para enfriar el sistema de perforación de núcleo 200 a medida que penetra en la tierra. Después de que el núcleo es retirado, el tubo interno se deja caer en el saca testigos externo 204 y se reanuda la perforación. Por lo tanto, el sistema de cable 200 no requiere retirar las sartas de varillas de elevación para izar el saca testigos 204 a la superficie, como en la perforación de núcleo convencional, permitiendo un gran ahorro de tiempo. El sistema de cable 200 puede funcionar tanto en la posición vertical como horizontal. Si el sistema de cable 200 se coloca en una posición horizontal, se puede usar presión del agua para mover el tubo interno hacia el saca testigos 204. Es deseable un control dimensional preciso o del tubo interno y el saca testigos 204 al efecto de un uso más eficiente de la presión del agua para mover el tubo interno en el saca testigos 204.
Los siguientes ejemplos se proporcionan para demostrar los beneficios de las modalidades de los métodos de fabricación de tubos de acero. Estos ejemplos se describen con fines ilustrativos y no se deben interpretar como limitativos del alcance de las modalidades descritas.
Tres ejemplos de composiciones fueron fabricados utilizando los procedimientos descritos con respecto a Figura 1, y los resultados se listan a continuación. El diseño químico se indica en Tabla III y los intervalos de propiedades mecánicas se listan en Tabla IV-VI. Se realizaron múltiples muestras sobre cada ejemplo.
Tabla III. Composición química de las muestras de ensayo Tabla IV. Propiedades físicas del Ejemplo 1 Tabla V. Propiedades Físicas del Ejemplo 2 Tabla VI. Propiedades Físicas del Ejemplo 3 Para los tres ejemplos, las muestras fueron templadas y revenidas, estiradas en frío, y fueron sometidas a un tratamiento de alivio de tensión. Las pruebas de tensión residual se realizan de acuerdo con la norma ASTM E-1928. Las pruebas de dureza se realizaron según la norma ASTM E-18. Los ensayos de tracción se realizaron según la norma ASTM E-8. Las pruebas de resistencia al impacto (Charpy) se realizaron según la norma ASTM E-23 con una muestra de 10 x 3.3 mm. Las normas ASTM E-1928, ASTM E-18, ASTM E-8, y ASTM E-23 se incorporan por completo a la presente como referencia. Las modalidades de los tubos de acero que se describen en la presente memoria tienen un límite de elasticidad superior a aproximadamente 930 MPa, una resistencia a la tracción de por encima de aproximadamente 965 MPa, un alargamiento por encima de aproximadamente 13%, una tensión residual inferior a aproximadamente 150 MPa, una dureza que oscila entre aproximadamente 30 y 40 HRC, y una resistencia al impacto por encima de 30 J (a aproximadamente temperatura ambiente y con un tamaño de muestra de 10 x 3.3).
A pesar que la descripción precedente ha ilustrado, descrito y señalado las características novedosas fundamentales de las presentes enseñanzas, se entenderá que diversas omisiones, sustituciones y cambios en la forma del aparato ilustrado, así como en los usos del mismo, pueden ser introducidos por los expertos en la técnica, sin apartarse del alcance del invento. Por consiguiente, el alcance de las presentes enseñanzas no debe limitarse a la exposición precedente, sino que estará definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (31)

REIVINDICACIONES
1. Un método de fabricación de un tubo de acero, caracterizado porque comprende: colar un acero de cierta composición en una barra o plancha, la composición comprende: entre aproximadamente 0.18 y aproximadamente 0.32% en peso de carbono; entre aproximadamente 0.3 y aproximadamente 1.6% en peso de manganeso; entre aproximadamente 0.1 y aproximadamente 0.6% en peso de silicio; entre aproximadamente 0.005 y aproximadamente 0.08% en peso de aluminio; entre aproximadamente 0.2 y aproximadamente 1.5% en peso de cromo; entre aproximadamente 0.2 y aproximadamente 1.0% en peso de molibdeno; en tanto el resto comprende hierro e impurezas; en tanto la cantidad de cada elemento se provee en base al peso total de la composición del acero; moldear un tubo; templar el tubo desde una temperatura austenítica para obtener un tubo frío; estirar en frío el tubo frío para obtener el tubo final; y templar el tubo final para obtener el tubo de acero.
2. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque el moldeo del tubo comprende perforar y laminar en caliente la barra.
3. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque el moldeo del tubo comprende soldar la plancha en un tubo por soldadura por resistencia eléctrica.
4. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque comprende además estirar en frío el tubo antes de templar el tubo desde una temperatura austenítica.
5. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque el estiramiento en frío del tubo antes del templado del tubo reduce el área en sección transversal del tubo en por lo menos 15%.
6. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque comprende además templar el tubo templado antes del estiramiento en frío del tubo templado.
7. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque comprende además enderezar el tubo templado antes del estiramiento en frío del tubo templado.
8. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque comprende además enderezar el tubo final antes de templar el tubo final.
9. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque la micro estructura del tubo de acero comprende por lo menos aproximadamente 90% martensita templada.
10. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque el tubo de acero comprende por lo menos un extremo roscado que no ha sido tratado térmicamente de una forma distinta que otras porciones del tubo de acero.
11. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque el estiramiento en frío del tubo templado resulta en una reducción del área del tubo templado de por lo menos aproximadamente 6%.
12. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque la temperatura austenítica es por lo menos aproximadamente 50°C superior a la temperatura AC3 y menor a aproximadamente 150°C por sobre la temperatura AC3.
13. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque el templado del tubo desde una temperatura austenítica procede a una velocidad de por lo menos aproximadamente 20°C/segundo.
14. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque la composición además comprende: entre aproximadamente 0.2 y aproximadamente 0.3% en peso de carbono; entre aproximadamente 0.3 y aproximadamente 0.8% en peso de manganeso; entre aproximadamente 0.8 y aproximadamente 1.2% en peso de cromo entre aproximadamente 0.01 y aproximadamente 0.04% en peso de niobio; entre aproximadamente 0.004 y aproximadamente 0.03% en peso de titanio; entre aproximadamente 0.0004 y aproximadamente 0.003% en peso de boro; en tanto el resto comprende hierro e impurezas; en tanto la cantidad de cada elemento se provee en base al peso total de la composición del acero.
15. Un método de fabricación de un tubo de acero para uso como varilla de perforación en sistemas por cable, caracterizado porque comprende: colar un acero de cierta composición en una barra o plancha, la composición comprende: entre aproximadamente 0.2 y aproximadamente 0.3% en peso de carbono; entre aproximadamente 0.3 y aproximadamente 0.8% en peso de manganeso; entre aproximadamente 0.1 y aproximadamente 0.6% en peso de silicio; entre aproximadamente 0.8 y aproximadamente 1.2% en peso de cromo; entre aproximadamente 0.25 y aproximadamente 0.95% en peso de molibdeno; entre aproximadamente 0.01 y aproximadamente 0.04% en peso de niobio; entre aproximadamente 0.004 y aproximadamente 0.03% en peso de titanio; entre aproximadamente 0.005 y aproximadamente 0.080% en peso de aluminio; entre aproximadamente 0.0004 y aproximadamente 0.003% en peso de boro; hasta aproximadamente 0.006% en peso de azufre; hasta aproximadamente 0.03% en peso de fósforo; hasta aproximadamente 0.3% en peso de níquel; hasta aproximadamente 0.02% en peso de vanadio; hasta aproximadamente 0.02% en peso de nitrógeno; hasta aproximadamente 0.008% en peso de calcio; hasta aproximadamente 0.3% en peso de cobre; y el resto comprende hierro e impurezas; en tanto la cantidad de cada elemento se provee en base al peso total de la composición del acero; moldear un tubo; enfriar el tubo hasta aproximadamente la temperatura ambiente; estirar en frío el tubo en una primera operación de estiramiento en frío para obtener una reducción de área de aproximadamente entre 15% y aproximadamente 30% y un tubo con un diámetro externo entre aproximadamente 38 mm y aproximadamente 144 mm y un diámetro interno entre aproximadamente 25 mm y aproximadamente 130 mm; tratar térmicamente el tubo de acuerdo a una primera operación de tratamiento térmico a una temperatura de austenización entre aproximadamente 50°C superior a AC3 e inferior a aproximadamente 150°C por sobre AC3 a lo que sigue el templado a aproximadamente temperatura ambiente a una velocidad mínima de 20°C/segundo; estirar en frío el tubo templado en una segunda operación de estiramiento en frío para lograr una reducción de área de aproximadamente entre 6% y aproximadamente 14% en orden a obtener un tubo con un diámetro externo de entre aproximadamente 34 mm y aproximadamente 140 mm y un diámetro interno de aproximadamente entre 25 mm y aproximadamente 130 mm; tratar térmicamente el tubo en una segunda operación de tratamiento térmico a una a temperatura de entre aproximadamente 400°C y aproximadamente 600°C durante aproximadamente entre 15 minutos y aproximadamente una hora para proveer alivio de tensión al tubo; y enfriar el tubo luego de la segunda operación de tratamiento térmico a aproximadamente temperatura ambiente a una velocidad de entre aproximadamente 0.2°C/segundo y aproximadamente 0.7°C/segundo; en tanto el tubo de acero final luego de la segunda operación de tratamiento térmico posee una micro estructura de aproximadamente 90% o más de martensita templada, un tamaño de grano promedio de aproximadamente ASTM 7 o más fino, un límite elástico superior a aproximadamente 930 MPa, una resistencia a la tensión final superior a aproximadamente 965 MPa, un alargamiento superior a aproximadamente 13%, una dureza entre aproximadamente 30 y aproximadamente 40 HRC, una resistencia al impacto superior a aproximadamente 30J en la dirección longitudinal a temperatura ambiente en base a una muestra de 10 x 3.3 mm, y esfuerzos residuales inferiores a aproximadamente 150 MPa.
16. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque el moldeo del tubo comprende perforar y laminar en caliente la barra en un tubo sin costura a una temperatura entre aproximadamente 1000 y aproximadamente 1300°C.
17. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque el moldeo del tubo comprende soldar la plancha en un tubo por soldadura por resistencia eléctrica.
18. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque la composición comprende: entre aproximadamente 0.24 y aproximadamente 0.27% en peso de carbono; entre aproximadamente 0.5 y aproximadamente 0.6% en peso de manganeso; entre aproximadamente 0.2 y aproximadamente 0.3% en peso de silicio; entre aproximadamente 0.95 y aproximadamente 1.05% en peso de cromo; entre aproximadamente 0.45 y aproximadamente 0.50% en peso de molibdeno; entre aproximadamente 0.02 y aproximadamente 0.03% en peso de niobio; entre aproximadamente 0.008 y aproximadamente 0.015% en peso de titanio; entre aproximadamente 0.010 y aproximadamente 0.040% en peso de aluminio; entre aproximadamente 0.0008 y aproximadamente 0.0016% en peso de boro; hasta aproximadamente 0.003% en peso de azufre; hasta aproximadamente 0.015% en peso de fósforo; hasta aproximadamente 0.15% en peso de níquel; hasta aproximadamente 0.01% en peso de vanadio; hasta aproximadamente 0.01% en peso de nitrógeno; hasta aproximadamente 0.004% en peso de calcio; hasta aproximadamente 0.15% en peso de cobre; y el resto comprende hierro e impurezas; en tanto la cantidad de cada elemento se provee en base al peso total de la composición del acero.
19. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque la composición comprende esencialmente: entre aproximadamente 0.2 y aproximadamente 0.3% en peso de carbono; entre aproximadamente 0.3 y aproximadamente 0.8% en peso de manganeso; entre aproximadamente 0.1 y aproximadamente 0.6% en peso de silicio; entre aproximadamente 0.8 y aproximadamente 1.2% en peso de cromo; entre aproximadamente 0.25 y aproximadamente 0.95% en peso de molibdeno; entre aproximadamente 0.01 y aproximadamente 0.04% en peso de niobio; entre aproximadamente 0.004 y aproximadamente 0.03% en peso de titanio; entre aproximadamente 0.005 y aproximadamente 0.080% en peso de aluminio; entre aproximadamente 0.0004 y aproximadamente 0.003% en peso de boro; hasta aproximadamente 0.006% en peso de azufre; hasta aproximadamente 0.03% en peso de fósforo; hasta aproximadamente 0.3% en peso de níquel; hasta aproximadamente 0.02% en peso de vanadio; hasta aproximadamente 0.02% en peso de nitrógeno; hasta aproximadamente 0.008% en peso de calcio; hasta aproximadamente 0.3% en peso de cobre; y el resto comprende hierro e impurezas; en tanto la cantidad de cada elemento se provee en base al peso total de la composición del acero.
20. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque comprende además proveer una rosca sobre el extremo del tubo de acero final sin ningún tratamiento térmico adicional luego de la segunda operación de tratamiento térmico.
21. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque el tubo de acero final con los extremos roscados posee una micro estructura sustancialmente uniforme.
22. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque comprende además enderezar el tubo luego de la primera operación de tratamiento por calor y antes de la segunda operación de estiramiento en frío.
23. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque comprende además enderezar el tubo luego de la segunda operación de estiramiento en frío y antes de la segunda operación de tratamiento térmico.
24. El método de la reivindicación 0, caracterizado porque la primera operación de tratamiento por calor además comprende revenir el tubo templado a una temperatura de 400°C a 700CC durante aproximadamente entre 15 minutos y aproximadamente 60 minutos y enfriar el tubo a aproximadamente temperatura ambiente a una velocidad de entre aproximadamente 0.2°C/segundo y aproximadamente 0.7°C/segundo.
25. Un tubo de acero caracterizado porque se fabrica de acuerdo al método de la reivindicación 0.
26. Una varilla de perforación caracterizada porque comprende un tubo de acero de la reivindicación 0.
27. Un tubo de acero caracterizado porque se fabrica de acuerdo al método de la reivindicación 0.
28. Una varilla de perforación caracterizada porque comprende un tubo de acero de la reivindicación 0.
29. Un método de uso del tubo de acero de la reivindicación 0, caracterizado por aplicarse a una operación de perforación minera.
30. Un método de uso del tubo de acero de la reivindicación 0, caracterizado por aplicarse a una operación de perforación minera.
31. Un sistema de perforación de extracción de núcleo por cable usado en minería y exploración geológica, caracterizado porque comprende: una sarta de perforación que comprende una pluralidad de tubos de aceros unidos entre sí, la pluralidad de tubos de acero son fabricados y poseen la composición de acuerdo a la reivindicación 0 o 0; y un saca testigos en un extremo de la sarta de perforación, el saca testigos comprende un tubo interno y un tubo externo, el tubo externo está conectado a una broca de corte de diamante.
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