Bruno Nagle Armendro. Felipe Martins Pereira Ribeiro. Marco Aurélio Pereira Fiori

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1 Bruno Nagle Armendro Felipe Martins Pereira Ribeiro Marco Aurélio Pereira Fiori Tubos com e sem costura: breve histórico e principais processos produtivos Trabalho da disciplina PMT2404 Transformação Mecânica I Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais São Paulo 2011

2 LISTAS DE FIGURAS Figura 1 - Processo Mannesmann; do lado esquerdo, destaque para a cavidade em barra arredondada produzida por meio da aplicação de carga sobre o tubo. Do lado direito, destaque para penetração do mandril na barra arredondada e conseqüente aplicação do material. (3)... 8 Figura 2 Laminador Assel (4)... 9 Figura 3 - Fluxograma do processo de laminação Assel (4) Figura 4 - Equipamento utilizado no processo Diescher (4) Figura 5 - Extrusão de tubos sem costura (3) Figura 6 - Furador presente no laminador "Heavy Duty" (4) Figura 7 - Equipamento utilizado e seqüência de operações do processo de laminação rotacional (4) Figura 8 - Representação esquemática do processo "Push Bench" (4) Figura 9 Esquema do processo Fretz - Moon (4) Figura 10 - Processo de soldagem por corrente alternada de baixa freqüência (4) Figura 11 - Estágios da conversão gradual de chapa em tubo com costura ausente (4) Figura 12 - Estágios do processo de geração de tubo com maior detalhe (4) Figura 13 - Diagrama contendo o processo por indução (4) Figura 14 Processo de corrente aplicada de maneira convencional (4) Figura 15 - Processos de conformação realizados na produção de tubos com costura por soldagem por fusão Figura 16 - Atuação da prensa U no processo U-O-E (6) Figura 17 Processo de soldagem a arco submerso (6) Figura 18 - Síntese do processo U-O-E (6) Figura 19 - Processo de produção de tubo espiral e suas etapas (7) LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Intervalos de temperatura adequados para a extrusão a quente de diferentes metais e ligas (3)

3 SUMÁRIO LISTAS DE FIGURAS... 2 LISTA DE TABELAS ) BREVE HISTÓRICO DOS TUBOS COM E SEM COSTURA ) TUBOS SEM COSTURA... 6 PROCESSOS DE PRODUÇÃO DE TUBOS SEM COSTURA ) Produção por tubo penetrante rotativo (processo Mannesmann) ) Processos de laminação cruzada ( Cross Rolling Processes ) ) Produção por extrusão ) Processo de laminação rotacional ( Plug Rolling Process ) ) Processo Push Bench ) TUBOS COM COSTURA PROCESSOS DE PRODUÇÃO DE TUBOS COM COSTURA PROCESSOS DE PRODUÇÃO VIA SOLDAGEM POR APLICAÇÃO DE PRESSÃO ) Processo Fretz-Moon ) Processos de soldagem por resistência elétrica PROCESSOS DE PRODUÇÃO VIA SOLDAGEM POR FUSÃO ) Processo U-O-E ) Produção de tubos espirais REFERÊNCIAS

4 1) BREVE HISTÓRICO DOS TUBOS COM E SEM COSTURA Embora seja utilizado atualmente em aplicações de alta tecnologia e que demandam alta performance, o emprego de tubos é realizado desde milhares de anos atrás e, ao longo da história da humanidade, integrou equipamentos diversos que contribuíram desde a fixação do nômade pelo domínio da agricultura até o desenvolvimento das cidades, geração da energia a partir do vapor e os avanços observados na atualidade. Diversos são os exemplos de civilizações da antiguidade que usufruíam de tubos em aplicações cotidianas; entre 3000 e 2000 a.c., os chineses confeccionavam tubos a partir do caule de bambu para abastecer os vilarejos com água; o sistema de abastecimento contava também com válvulas feitas de madeira para controlar o fluxo fornecido. Além dessa, os tubos de bambu também eram usados no transporte de gás natural nesse caso, eles eram envolvidos com cera para prover certa vedação ao sistema de condução. (1) Há quase 5000 anos atrás, os egípcios irrigavam os campos e supriam suas cidades com água para consumo humano também através de tubos; a diferença reside no material que compunham os mesmos: no templo de Sahuri, há alguns anos, descobriu-se cerca de 400 jardas (cerca de 365 metros) de tubos de cobre. Os tubos eram construídos a partir da montagem de seções longas de 16 polegadas (40 cm aproximadamente) geradas por marteladas sobre chapas de 1/16 polegadas (valor próximo de 1,5 mm) dentro de cilindros. (1) Na Grécia, o uso de tubos teve início mais recentemente (entre 1600 e 300 a.c.); a aplicação, assim como nas civilizações anteriormente mencionadas, era sanear as populações das cidades. Os materiais empregados na fabricação dos tubos eram variados assim, haviam tubos feitos de barro, rochas, chumbo e bronze. Interessante destacar que os tubos apresentavam extremidades com seções de diferentes diâmetros ; essas seções eram construídas de modo a proporcionar encaixe entre tubos adjacentes - assim, a seção menor de tubo anterior era envolvida pela seção maior do tubo posterior o que possibilitava a fixação. Outra peculiaridade inerente aos gregos no que concerne esse tema remete ao uso de uma técnica de soldagem na junção de pedaços de ferro por meio, segundo autor da referência, de um martelamento a quente ( hammering red-hot ). (1) Quando trata-se de tubos e sua aplicação na antiguidade, a civilização que merece maior destaque e atenção é a romana, uma vez que o princípio de algumas 4

5 das suas aplicações neste campo resistiram ao tempo sendo utilizadas até hoje. O império romano data existiu entre 400 a.c. e 150 d.c.; dentre as diversas construções relacionadas à temática estudada cita-se, por exemplo, 200 aquedutos projetados não só para carregar como também para separar água para três tipos de uso: banho público, fontes da cidade e casas de famílias abastadas e influentes. Além de prover a população com água, as fontes eram uma espécie de tanque de compensação, que evitava perdas de grandes volumes devido, por exemplo, à mudança repentina do fluxo. (1) De maneira análoga aos gregos, os romanos também utilizavam diversos materiais na fabricação de tubos; dentre eles, cita-se chumbo, madeira com junções reforçadas por colates metálicos, barro, bronze e até mesmo prata. Os tubos a Bse de chumbo por exemplo, eram fabricados por meio do dobramento de chapas finas em dutos de seções transversais circulares, oblíquas e triangulares. Em seguida, eram soldados na longitudinal e selados através de cimentos ou argamassas. Por fim, é válido destacar que as seções eram dimensionadas de acordo com a região em que o tubo estava posicionado para proporcionar melhor fluxo possível da água. (1) Na idade média, exceto pelos mouros, não se registra nenhum fato a ser destacado e que relaciona-se com o desenvolvimento de tubos; aliás, em virtude da queda de impérios como o romano e a ascensão do regime feudal, observou-se retrocesso em certas regiões da Europa quando se compara com períodos históricos anteriores; assim, os grandiosos aquedutos romanos, por exemplo, foram substituídos por captação feita diretamente do leito do rio por quem fosse utilizar a água. A água imprópria para consumo era depositada nas ruas sem nenhum cuidado ou tratamento especial daí a ocorrência de uma série epidemias e mortes na época. No renascimento, pouco também foi produzido, uma vez que o tempo que poderia ser utilizado no desenvolvimento de novas técnicas foi gasto no reparo dos antigos aquedutos com a queda do feudalismo, muitos retornaram às antigas cidades mesmo estando elas em ruínas. Destaque nesse contexto, para o desenvolvimento dos primeiros tubos constituídos por ferros fundidos. Nos séculos XVIII e XIX, registrou-se uma revolução técnica no que concerne à fabricação de tubos de ferro fundido iniciada na renascença; além disso, destaca-se também nesse contexto o aprimoramento de técnicas de bombeamento de água. Ambos os aspectos podem ser apreciados no Palácio de Versalhes; durante o projeto do mesmo, Luís XIV exigiu que o palácio apresentasse cerca de 1400 fontes de água; o problema por trás da implantação da mesma relacionava-se ao local em que o 5

6 palácio estava situado a área era mais elevada que todas as outras que a circundavam; assim, era necessário o bombeamento da água das áreas adjacentes ao palácio para que as fontes pudessem ser alimentadas. A solução para o problema foi desenvolvida pelo cientista Mariotte que, por contar com um orçamento sem limites de valores, testou uma série de materiais e técnicas a fim de solucionar a questão. Um dos componentes cruciais no desenvolvimento dela foi o emprego de tubos constituídos por ferro fundido. (1) Ainda no século XIX, uma nova mudança provoca a catálise do desenvolvimento de tubos, gerando avanços em um ritmo não experimentado em período anterior; além do abastecimento de água, as cidades passaram a contar com o fornecimento de óleo e gás, insumos fundamentais para geração de energia empregada na geração, a partir de água, de vapor utilizado na movimentação da maioria dos equipamentos industriais do período. Para suprir as cidades com gás e óleo fazia-se uso, assim como no abastecimento de água, de tubulações; graças a demanda crescente de tais insumos pelas cidades da época, as indústrias de óleo e gás investiram pesado em projeto e desenvolvimento de tubulações, o que alavancou o ritmo em que os mesmos passaram a evoluir. No século XX, deve-se destacar o surgimento de novas técnicas de soldagem, o aprimoramento de algumas já existentes e a contribuição que esses dois aspectos forneceram para a indústria de tubos, especialmente as de confecção de tubos com costura. Outro aspecto que vale ser destacado relaciona-se à elaboração das primeiras normas técnicas as quais contribuíram fortemente para a padronização e melhoramento do processo produtivo de tubos e conseqüente evolução da qualidade dos produtos fabricados. 2) TUBOS SEM COSTURA Tubos sem costura são tubos isentos de cordão de solda na direção longitudinal; em geral, são empregados na construção de dutos para transporte de combustíveis líquidos e gasosos, em usinas nucleares, tubos para sistemas de aquecimento ou arrefecimento entre outros. (2) Quando constituídos de aço e obtidos por conformação mecânica, tem sua matéria prima obtida através de fornos elétricos e tratadas quimicamente por meio do emprego de escórias sintéticas. O tratamento químico assegura que o aço a ser utilizada possua baixíssimos teores de enxofre e fósforo, o que permite ao material atingir elevada ductilidade e resistência à corrosão; além de tratamento químico, faz- 6

7 se, já sobre o material acabado, tratamentos térmicos estima-se, por exemplo, que 70% dos tubos utilizados em oleodutos sejam tratados termicamente. (2) No que se refere ao processo de produção, verificar-se-á a seguir que existem basicamente dois: o processo de produção por tubo penetrante rotativo e o processo de extrusão; quaisquer outros além desses são resultantes de algumas modificações, especialmente em relação ao processo Mannesmann. PROCESSOS DE PRODUÇÃO DE TUBOS SEM COSTURA 1) Produção por tubo penetrante rotativo (processo Mannesmann) O processo de produção por tubo penetrante rotativo ( Rotary tube piercing ), também conhecido como processo Mannesmann, consiste da fabricação de tubos sem costura longos e de paredes espessas por meio da deformação a quente dos mesmos; dentre os materiais constituintes desses tubos, menciona-se aços, alumínio, bronze, cobre e outros. Ao ser submetido a tensões cíclicas de compressão, uma barra arredondada começa a desenvolver, no centro da sua seção transversal, uma cavidade é justamente tal aspecto que é explorado na confecção dos tubos. Assim, no processo, o tubo é submetido a tais tensões e aquecido a fim de diminuir o limite de escoamento e facilitar a deformação; em seguida, com o auxílio de rolos posicionados de forma oblíqua, é rotacionado e empurrado contra um mandril graças à componente axial presente no movimento dos rolos. O mandril apresenta, em sua extremidade, formato adequado para explorar da melhor maneira a cavidade formada na barra devido à aplicação da tensão e, a partir dela, retirar material para formar o tubo. Vale salientar que o mandril pode permanecer fixo durante o processo de retirada de material do tubo ou pode se movimentar conforme as necessidades surgidas durante o processo. Um aspecto de destaque a cerca do processo é a velocidade com que se fabrica tubos: a produção de tubos de até 150 mm de diâmetro e comprimento de 12 metros dura cerca de 30 segundos. A produção de tubos de diâmetros maiores (até 350 mm), faz-se necessário empregar duas operações de perfuração. (3) É importante que a matéria prima utilizada na produção de tubos a partir desse processo apresente baixa quantidade de defeitos e seja de alta qualidade, já que grandes deformações estão envolvidas em sua utilização para esse fim. Um resumo do que foi antes apresentado sobre tal processo está presente na Figura 1. 7

8 Figura 1 - Processo Mannesmann; do lado esquerdo, destaque para a cavidade em barra arredondada produzida por meio da aplicação de carga sobre o tubo. Do lado direito, destaque para penetração do mandril na barra arredondada e conseqüente aplicação do material. (3) Após a realização da retirada de material da parte central da barra arredondada, o tubo sem costura ainda não pode ser considerado um produto acabado; em geral, após a realização de tal retirada, o tubo adquire formato inadequado para utilização em campo, ou seja, apresenta diâmetros e espessuras diferentes dos especificados. Dessa maneira, os tubos são submetidos a operações de laminação que empregam cilindros especialmente desenvolvidos para conferir ao tubo antes gerado a forma desejada com o auxílio, ou não, de mandris. (3) 2) Processos de laminação cruzada ( Cross Rolling Processes ) Os processos de laminação cruzada são desdobramentos da idéia original do processo Mannesmann; surgiram por volta de 1930, ganhando como alcunha o nome dos seus respectivos desenvolvedores. Assim, os processos englobados por essa categoria são o processo de laminação Assel, desenvolvido por W. J. Assel, e o processo de laminação Diescher, desenvolvido por S. E. Diescher; (4) a grande semelhança entre eles e o desenvolvimento e implantação deles no mesmo contexto promoveram o estabelecimento de disputa por mercado comum. Nela, pode-se dizer que o processo Assel apresentou maior sucesso, uma vez que foi implantado em maior escala que o Diescher. 2.1)Processo de laminação Assel O processo de laminação Assel, apesar de antigo, ainda é largamente empregado atualmente; dentre os componentes fabricados através dele, cita-se principalmente tubos de aço inoxidável com diâmetro variando entre 60 e 250 mm e comprimento de até 12 m. O menor diâmetro interno capaz de ser conferido a tubo fabricado por esse método é cerca de 40 mm. Estes tubos são caracterizados por possuir excelente concentricidade; por essa razão, são utilizados na fabricação de componentes forjados como, por exemplo, eixos e rolamentos. (4) 8

9 No processo, material semi-acabado na forma de blocos de seção transversal circular é inicialmente aquecido até temperatura adequada para o processo de conformação em forno rotativo. Em seguida, é confeccionada uma cavidade para facilitar o processo de remoção da parte central da barra. Após a confecção da cavidade, a barra é inserida no laminador Assel (Figura 2), em que o processo propriamente dito será executado. (4) Figura 2 Laminador Assel (4) O laminador Assel é composto por um trio de rolos de trabalho dispostos de modo que o ângulo entre eles é 120 graus; (4) o bloco a ser processado passa por entre os cilindros que são responsáveis por rotacionar o bloco e pressioná-lo contra o mandril. Como resultado, tem-se o aprofundamento da cavidade e conseqüente formação do tubo; vale salientar que o mandril utilizado no processo é flutuante, ou seja, ao término ele é eliminado juntamente com o tubo. Assim, após o processo, deve-se retirar o mandril do interior do tubo e reutilizá-lo na confecção de novos tubos. Equipamentos auxiliares são utilizados para conferir ao tubo dimensões intermediárias. Abaixo, na Figura 3, há um fluxograma que mostra o processo com maior detalhe. 9

10 Figura 3 - Fluxograma do processo de laminação Assel (4) 2.2) Processo de laminação Diescher O processo de laminação Diescher apresenta grande semelhança com o processo Mannesmann; nele, uma barra cilíndrica é submetida a um processo prévio de furação da extremidade realizado por meio de um furador de rolo cruzado ( cross roll piercer ). Esse pré-furo é alongado no equipamento (conhecido por moinho Diescher Diescher Mill) por meio de um mandril, e dessa forma gera-se o tubo com as dimensões finais. (4) No moinho Diescher, há dois elementos fundamentais: o par de rolos de trabalho e um par de discos Diescher; o par de rolos de trabalho confere à barra movimento rotacional por meio do atrito gerado através desse movimento entre o furador de rolo cruzado e a seção transversal da barra, executa-se o pré-furo. O par de discos Diescher faz a barra transladar contra o furador e, associado ao movimento conferido pelos rolos de trabalho, o pré-furo torna-se um furo passante por toda extensão da barra tem-se então um tubo. Maiores detalhes sobre as partes do equipamento empregado no processo podem ser visualizadas na Figura 4. (4) Atualmente, o processo Diescher está perdendo espaço para processos mais modernos; dentre os países em que ainda se observa o seu emprego menciona-se Estados Unidos, China e Grã-Bretanha. O produto gerado a partir desse processo são tubos com diâmetro externo variando entre 60 e 168 mm e comprimento de até 12 m 10

11 aproximadamente. Apesar da perda espaço comentada anteriormente, os equipamentos atuais ainda contam com alguns recursos do processo Diescher como, por exemplo, o par de discos. (4) Figura 4 - Equipamento utilizado no processo Diescher (4) 3) Produção por extrusão Na extrusão, submete-se um tarugo à passagem forçada através de uma matriz com o objetivo de diminuir a seção transversal de barras, conferir formato cilíndrico ou irregular às seções transversais das mesmas ou ainda gerar a partir de tarugos de seção transversal circular tubos sem costura. Para que possa ser realizado sem prejuízos ao produto final, é necessário o emprego de metais que apresentem capacidade razoável de sofrer deformação; assim, a técnica é empregada usualmente para o alumínio, cobre, aço, magnésio e chumbo por exemplo. (5) Geralmente, a extrusão é realizada a temperaturas elevadas, uma vez que nessas condições o material apresenta diminuição do limite de escoamento e, por conseguinte, maior facilidade para sofrer deformação. É importante mencionar que, para diferentes materiais, têm-se diferentes intervalos de temperatura adequados para a realização do processo; isso pode ser observado com mais detalhes na Tabela 1, extraída da bibliografia consultada. (3) 11

12 Tabela 1 - Intervalos de temperatura adequados para a extrusão a quente de diferentes metais e ligas (3) Metal Temperatura de extrusão ( C) Alumínio e ligas de alumínio Cobre e ligas de cobre Chumbo Aços O processo de extrusão apresenta, além dessa, outras exigências para gerar produtos com desempenho e propriedades adequadas; assim, a diminuição da temperatura do tarugo quando em contato com a matriz produz deformação não uniforme dele o que exige, durante a realização do processo, o aquecimento da matriz. A produção de filme de óxido sobre a superfície do tarugo quando o mesmo é préaquecido antes da realização da extrusão é outro problema inerente ao processo, já que origina inclusões e confere à superfície do produto extrudado acabamento de qualidade inferior; para evitá-lo recomenda-se que o aquecimento seja realizado em meio de atmosfera inerte. (3) Dentre as características gerais do processo de extrusão a quente destaca-se estrutura de elevada densidade conferida aos materiais submetidos ao mesmo; dentre as causas disso, cita-se a elevada pressão envolvida e a natureza compressiva da mesma. Produtos finais com tolerância dimensional e acabamento superficial bons também caracterizam esse processo. Por fim, a rapidez e a capacidade de gerar produtos apenas com seções transversais constantes correspondem a outros aspectos inerentes ao processo. (3) Conforme se mencionou antes, um dos produtos obtidos através do processo de extrusão são tubos sem costura; em geral, para cada produto obtido, o processo de extrusão é dotado de características específicas; como foge ao escopo do texto apresentar os caracteres específicos de cada processo, será aqui apresentado, por meio da Figura 5, apenas a variante do processo atrelada à produção de tubos sem costura. (3) 12

13 Figura 5 - Extrusão de tubos sem costura (3) Quando alguns procedimentos preventivos como os destacados anteriormente neste item não são executados, os produtos extrudados podem desenvolver diversos tipos de defeitos. A seguir, os principais defeitos relacionados à extrusão tanto a quente quanto a frio: (3) - trincas superficiais: freqüentes em ligas a base de zinco, alumínio e magnésio, ocorrem de maneira concomitante com trincas intergranulares. Em geral, é causado quando ou a temperatura de extrusão, ou atrito gerado no processo, ou a velocidade de extrusão são elevados; dessa forma, a superfície do material extrudado sofre aquecimento excessivo e, quando em contato com meio resfriado, tem trincas originadas sobre elas. Na extrusão a frio, a presença de entalhe sobre a superfície é a principal causa da nucleação desse defeito. - defeito de tubo ( pipe defect ): esse defeito é motivado pelo carregamento de óxidos ou impurezas presentes na superfície do material para o centro do tarugo devido ao processo de extrusão do mesmo. A região do material extrudado afetada por esse tipo de defeito deve ser descartada, o que torna o mesmo extremamente indesejável. Dentre os procedimentos utilizados para evitar sua ocorrência do mesmo, cita-se o aperfeiçoamento do formato da matriz utilizada no processo de modo que o fluxo por ela passante não origine esse fenômeno. - trincas internas: relaciona-se ao desenvolvimento de trincas no centro do produto extrudado. A redução do ângulo existente entre o tarugo entrante e a matriz e da quantidade de impurezas no tarugo diminuem a probabilidade de ocorrência desse defeito. 4) Processo de laminação rotacional ( Plug Rolling Process ) No processo de laminação rotacional (também conhecido por processo Stiefel), blocos cilíndricos são aquecidos até temperatura de aproximadamente 1280 graus Celsius; em seguida, são submetidos à operação de descarepamento por meio de 13

14 incidência sobre o bloco aquecido de jatos de água a alta pressão. Após a remoção de carepa, os blocos são submetidos à perfuração de parte da seção transversal, ou seja, são convertidos em tubos. (4) Os tubos fabricados por meio desse processo apresentam entre 60 e 406 mm de diâmetro, paredes com espessura que figuram entre 3 e 40 mm e de 12 a 16 m de diâmetro. Interessante mencionar que o diâmetro é função do diâmetro externo, podendo atingir valores 4 vezes maiores que o recomendado. (4) Dentre os constituintes do equipamento responsável por desempenhar o processo, o furador de rolo cruzado (também conhecido por furador de barril ou barrel piercer ) merece destaque; em resumo, é composto por um par de rolos bicônicos cujos eixos são inclinados de 6 a 12 graus em relação à horizontal. Entre os rolos, há um acessório denominado guide shoe ; ele preenche o espaço existente entre os rolos e que não é preenchido pela superfície dos mesmos e, desse modo, auxilia na manutenção do bloco a ser laminado entre os rolos evitando que eles deixem a trajetória que devem seguir; além disso, contribuem para a melhoria do alongamento obtido através do processo por atuarem como rolos estacionários, o que permite a fabricação de tubos com paredes mais finas. (4) O processo de laminação rotacional gera produtos com maior rapidez que o processo Mannesmann daí o seu largo emprego nos dias atuais, conforme se destacou anteriormente. Além disso, ele permite a obtenção de tubos sem costura com diâmetros maiores; para isso, o laminador apresenta dois furadores de rolo cruzado idênticos entre si. A atuação combinada deles permite a fabricação de tubos com maiores diâmetros (tanto interno quanto externo) e com maior comprimento. Da mesma forma que em processos de laminação convencional, a tendência atual é minimizar o número de cadeiras de laminação, o emprego de dois furadores nesse processo tem sido repensada; como resultado, em algumas indústrias, vêm-se utilizando laminadores classificados como heavy duty, ou seja, laminadores capazes de gerar tubos de grande diâmetro e comprimento através de um único furador. (4) Nesse caso, o furador utilizado apresenta rolos bicônicos inclinados de 10 a 12 graus em relação a horizontal; o espaçamento entre os rolos é fechado por meio de dois discos laterais que também se movimentam. Esse arranjo resulta em grandes alongamentos, expansão de diâmetro e elevada velocidade de saída do tubo a partir do equipamento (até 1,5 m/s). (4) O furador antes descrito é mostrado na Figura 6. 14

15 Figura 6 - Furador presente no laminador "Heavy Duty" (4) Consoante se explicou antes, o furador é apenas um dos componentes do equipamento responsável pelo processo; uma vista bidimensional do equipamento completo é mostrada na Figura 7. Da esquerda para a direita, o conjunto formado pelo cilindro de trabalho e a barra entre eles é o furador; nessa figura, nota-se um detalhe sobre o qual não se comentou quando o furador foi abordado: na ponta da barra ou mandril responsável pela perfuração, a seção transversal apresenta formato diferente do restante, constituindo o o que se chama de plug ; esse aparato dá o nome ao processo. Por meio dele, faz-se a cavidade inicial a partir da qual se originará o tubo por meio da penetração de todo o mandril. Cumpre salientar que o plug não é solidário ao mandril ele pode ser removido, conforme será comentado em seguida. O bloco a partir do qual o tubo será originado adentra o equipamento transladado e rotacionado pelos cilindros de trabalho; através do atrito com o plug e o mandril faz-se o furo central. Após a obtenção do furo central, a barra, agora furada, é retirada pela mesma região que entrou; para isso, o cilindro de trabalho superior é erguido de modo que não mais estabelece contato com a barra furada e o os cilindros stripper são colocados em movimento a fim de tirar a barra do equipamento. Removida a barra, caso seja necessário aumentar ainda mais o diâmetro da barra furada para que ela apresente as propriedades do produto final, troca-se o plug utilizado antes por um de maior diâmetro e o processo é repetido. 15

16 Figura 7 - Equipamento utilizado e seqüência de operações do processo de laminação rotacional (4) 5) Processo Push Bench Também conhecido por processo de forja rotativa ou, na Alemanha, por processo Ehrhardt. Por meio dele, fabrica-se tubos sem costura com diâmetro variando entre 50 e 170 mm e espessura de parede entre 3 a 18 mm. O comprimento atingido pode ser de até 18 m. (4) Assim como os outros processos apresentados, o tubo é gerado a partir de um bloco que, no caso do processo Push Bench, pode apresentar seção transversal redonda, quadrada ou octogonal. Antes da conformação, o bloco é aquecido em forno rotativo para diminuição do limite de escoamento, ou seja, para que a deformação ocorra com maior facilidade. 16

17 Após aquecimento, o bloco é inserido em um molde cilíndrico em que, por meio de um furador, faz-se uma cavidade; o molde é aberto apenas em uma das suas extremidades. Em seguida, o bloco contendo a cavidade é alongado em um alongador constituído por três rolos e um mandril; esta etapa é realizada a frio e aumenta o comprimento da barra original de 10 a 15 vezes. (4) Posteriormente é executada a diminuição do diâmetro do tubo por meio de rolos ranhurados estáticos; em geral, cada passe é composto por três ou quatro rolos distribuídos circularmente. A redução que eles são capazes de conferir pode ser de até 25% e a velocidade de operação é de até 6 metros por segundo. (4) O mandril responsável por conferir à barra o furo que a converterá em tubo permanece em seu interior até a etapa de redução; após ela, o mandril é removido por equipamento especial; a remoção deve ser feita a partir da mesma região que entrou, uma vez que o bloco não é atravessado pelo mandril. Com o mandril retirado, corta-se a quente a extremidade do bloco furado que não foi penetrada pelo mandril. A parte que originará o tubo é reaquecida e novamente laminado de modo a adquirir acabamento e dimensões finais. Maiores detalhes podem ser visualizados na Figura 8. (4) Figura 8 - Representação esquemática do processo "Push Bench" (4) 17

18 3) TUBOS COM COSTURA Tubos com costura são provenientes de chapas conformadas cujas arestas são soldadas de modo a originá-los. São largamente empregados nas indústrias petrolíferas constituindo tanto tubos de prospecção de petróleo quanto risers. Também são empregados no transporte de gás natural da área produtora até as áreas consumidoras. A produção dos mesmos, como dito antes, é feita a partir de chapas conformadas sendo que o principal processo de soldagem utilizado na geração da solda ou costura é o arco submerso graças à sua automatização, permite a produção desses tubos em larga escala e com grande segurança e uniformidade operacional. PROCESSOS DE PRODUÇÃO DE TUBOS COM COSTURA Os processos de produção de tubos com costura dividem-se em duas categorias: os que envolvem confecção de soldagem através de aplicação de pressão e aqueles em que é realizada a soldagem por fusão. PROCESSOS DE PRODUÇÃO VIA SOLDAGEM POR APLICAÇÃO DE PRESSÃO 1) Processo Fretz-Moon O processo Fretz-Moon (Figura 9) fabrica tubos com costura a partir de chapas desbobinadas. Dessa maneira, a primeira etapa do processo consiste do desbobinamento de bobinas a elevadas velocidades e mantidas em acumuladores loop. Os acumuladores são peças chave para conferir ao processo continuidade, já que se utilizasse simplesmente bobinas sem o auxílio dos mesmos, o estabelecimento dela seria impossível. Dos acumuladores, as chapas são aquecidas por meio de um forno túnel a temperaturas elevadas; interessante destacar que o aquecimento é realizado por meio de aquecedores laterais e, desse modo, existe um gradiente de temperatura entre o centro e as laterais da chapa as diferenças estabelecidas variam de 100 a 150 graus Celsius. (4) As chapas aquecidas são continuamente deformadas por meio dos rolos de conformação, adquirindo formato de tubo com costura aberta; na etapa de soldagem, a circunferência desse tubo é levemente reduzida em virtude em virtude dos procedimentos de preparação tal que sua execução seja possível. Esses procedimentos geram vãos no tubo sem costura, o que torna obrigatória a aplicação de pressão para posterior execução da soldagem. Após a soldagem, os tubos são 18

19 cortados por chama, mantidos em cama de resfriamento e submetidos a etapas de acabamento. A partir do processo Fretz Moon, fabrica-se tubos com diâmetro entre 40 e 114 mm; a velocidade de produção de tubos expressa em metros oscila entre 100 e 200 metros de tubo produzido por minuto. (4) Figura 9 Esquema do processo Fretz - Moon (4) 2) Processos de soldagem por resistência elétrica 2.1) Processos de soldagem por corrente contínua São processos em que são utilizadas correntes contínuas ou aproximadamente contínuas no processo de soldagem. Normalmente, são empregados na soldagem longitudinal de tubos pequenos com 20 mm podendo, em casos especiais, atingir 30 mm de diâmetro externo. As paredes apresentam espessura entre 0,5 e 2 mm aproximadamente. (4) Dentre as vantagens que o emprego de corrente contínua apresenta em relação a técnicas em que se utiliza correntes de baixa e alta freqüência, cita-se principalmente o acabamento suave conferido na região do cordão presente no interior do tubo; tal aspecto é de suma importância em tubos onde o a execução de operações complementares não podem ser realizadas em seu interior verifica-se tal fato em tubos de trocadores de calor por exemplo. (4) A capacidade limitada de transferência de energia elétrica através dos eletrodos de disco corresponde a uma das limitações do processo; as velocidades de 19

20 soldagem atingidas variam entre 50 e 100 metros de tubo soldado por minuto; A matéria prima utilizada para produção desses tubos são chapas laminadas a frio. (4) 2.2) Processos de soldagem com corrente alternada de baixa freqüência No processo de soldagem com corrente de baixa freqüência (Figura 10), faz-se o costura de tubos através do emprego de correntes alternadas com freqüência que varia entre 50 e 400 Hz. Dentre os componentes do equipamento responsável por desenvolver a técnica, destaca-se os 2 discos de cobre isolados responsáveis pelo fornecimento de energia, conformação e pela geração de pressão necessária para a soldagem. (4) Os eletrodos também apresentam importância manter o diâmetro do tubo a ser produzido igualado em todas as posições e por monitorar a dimensão do raio do tubo durante o processo. Nele, a confecção da soldagem é acompanhada pela formação, tanto dentro quanto fora do tubo de resíduo que deve ser removido ao término do processo por acessório adequado do equipamento. Graças ao monitoramento característico desse processo, ele apresenta a capacidade de produzir tubos com grande precisão; além disso, os produtos gerados através dele apresentam de 10 a 114 mm de diâmetro, e a velocidade, que é função da espessura do tubo a ser soldado, tem valor médio de 90 metros por minuto. (4) Figura 10 - Processo de soldagem por corrente alternada de baixa freqüência (4) 20

21 2.3) Processos de soldagem com corrente alternada de alta freqüência Surgido em 1960 como uma dissidência do processo de soldagem com corrente alternada de baixa freqüência, consiste do emprego de corrente alternada com freqüência entre 200 e 500 khz e processo de conformação e soldagem dos tubos executados em unidades separadas. (4) A exemplo dos apresentados antes, esse método também utiliza pressão e aquecimento na construção da costura dos tubos. A fenda de espessura adequada para a soldagem é conferida à chapa utilizada como matéria prima por meio de rolos que exercem compressão da mesma. O uso de correntes de elevada freqüência nos processos de soldagem possui diversas vantagens; são elas: (4) - geração de elevados valores de densidade de corrente no condutor - produção de campo magnético no centro do condutor; ele incrementa a resistência oferecida à passagem de elétron por essa região, fazendo com que eles trafeguem preferencialmente pela superfície. - penetração elevada quando o metal a ser soldado é aquecido acima da temperatura Curie Existem duas variações do processo: uma, em que se faz o emprego de contatos móveis para transferência de corrente e outra em que a corrente é induzida na região a ser soldada por meio de uma ou múltiplas bobinas. Assim, pode-se dividilo em processo de soldagem por corrente de alta freqüência induzida e por corrente de alta freqüência conduzida. A construção do tubo por meio deles tem como etapa inicial a conversão da chapa através de rolos de conformação ou rolos ajustáveis em um tubo que, posteriormente, deverá ser costurado, ou seja, em um tubo contendo uma fenda. A matéria prima encontra-se contida em bobinas e o processo é contínuo assim, para que seja possível para ele apresentar essa característica, faz-se o uso de acumuladores em loop para manutenção da alimentação do processo. (4) As bobinas são utilizadas a frio ou a quente, dependendo da aplicação do tubo resultante, das dimensões e da precisão destas; no caso do emprego a quente, realiza-se processo de decapagem da chapa antes da conformação e soldagem. Os tubos fabricados apresentam de 20 a até 609 mm e parede com espessura entre 0,5 e 21

22 16 mm; a velocidade de produção é de 10 a 120 metros por minuto. Um detalhe relevante que deve ser ressaltado relaciona-se a chapa que penetra por entre os rolos de conformação as chapas obtidas via desbobinamento são cortadas em pedaços de dimensões correspondentes ao tubo que se deseja produzir, ou seja, não se mantém o comprimento da chapa que inicialmente compunha a bobina. (4) No processo, emprega-se de 8 a 10 rolos de conformação que realizam a conversão de chapa em tubo com costura ausente de maneira gradual; os estágios dessa transformação podem ser observados na Figura 11 e Figura 12. Figura 11 - Estágios da conversão gradual de chapa em tubo com costura ausente (4) 22

23 Figura 12 - Estágios do processo de geração de tubo com maior detalhe (4) Conforme se observa na Figura 12, além dos rolos externos, há também rolos internos que possibilitam a geração de tubos com diversos diâmetros. A razão entre espessura e diâmetro atingida varia entre 1/100 e 1/8. (4) De acordo com o que se comentou antes, corrente pode ser aplicada por condução ou por indução; no processo em que se aplica corrente por indução (Figura 13), a chapa após ser conferido a ela o formato de tubo (indicada por 1) é inserida no arranjo mostrado na figura na direção da seta; os rolos identificados pelo número 5 engrenam a chapa, conferindo movimento a ela. (4) 23

24 Figura 13 - Diagrama contendo o processo por indução (4) Além disso, os rolos auxiliam na aproximação das partes em separado do futuro tubo, conferindo a ela o ângulo 2. A corrente é induzida na região a ser soldada pelo arranjo identificado por 4 e 3; Em 4, gera-se campo magnético ao redor da bobina de indução indicada por 3 que induz corrente que trafega ao redor da circunferência do tubo, mais precisamente entre os pontos indicados por 6 e b. Vale salientar que o arranjo é elaborado de modo que, na região aberta, a corrente se concentra aquecendo-a; outra a função associada aos rolos identificados por 5 é aplicar pressão nessa região já aquecida para o estabelecimento da junção. Solda de acabamento é realizada em 7 a fim de retirar as cristas formadas na soldagem executada por indução. No processo em que a corrente é aplicada de maneira convencional, ou seja, por condução, a corrente é aplicada, como já inferiu antes, por contatos de cobre móveis localizados antes do ponto do tubo em que se construirá a solda; dependendo da espessura da parede do tubo e do processo de conformação, pode-se atingir velocidades de até 100 metros por minuto. Maiores detalhes são mostrados na Figura 14. (4) Figura 14 Processo de corrente aplicada de maneira convencional (4) Conforme se vê na figura, os contatos 3 e 3 estão posicionados muito próximos das partes a serem soldadas. O fornecimento de corrente de elevada freqüência é realizado pelo gerador identificado por 4; em 6, as arestas aquecidas são pressionadas pelos rolos (5) e, em 7, elimina-se as cristas formadas pelo processo de soldagem executado por 3 e 3. 24

25 PROCESSOS DE PRODUÇÃO VIA SOLDAGEM POR FUSÃO Os processos de produção de tubos através de soldagem por fusão são utilizados principalmente na fabricação de tubos de diâmetros superiores a 457 mm (aproximadamente 18 polegadas) utilizados na construção de dutos. Assim como nos processos de produção via soldagem por aplicação de pressão, os processos englobados por esse grupo dividem-se basicamente em duas etapas: a etapa de conformação, em que chapas são convertidas em formato próximo do tubo acabado e o processo de soldagem, em que se une as arestas laterais da placa consolidando a conversão de chapa em tubo. (4) Nos processos em que se emprega soldagem por fusão, a etapa e conformação pode ocorrer de 4 maneiras principais: (4) - através de máquina de dobramento de três rolos (utilizado em processos de conformação a quente e a frio) - através de prensa C (apenas para conformação a frio) - por meio do processo U-O-E (apenas para conformação a frio) - via processo de conformação de tubo espiral (apenas para conformação a frio de chapas largas) Os 4 processos de conformação apresentados anteriormente estão representados na Figura 15. Dentre eles, nas discussões a seguir se dará ênfase apenas aos dois últimos (processo U-O-E e processo de produção de tubos espirais), uma vez que são os mais utilizados na maioria das fábricas pelo mundo que produzem com costura em larga escala. 25

26 Figura 15 - Processos de conformação realizados na produção de tubos com costura por soldagem por fusão No que concerne a etapa de soldagem, o processo de soldagem ao arco submerso é o mais utilizado por ser recomendado por normas técnicas para uso na soldagem de tubos de grande diâmetro. Além desse, em alguns casos tem-se o uso de técnicas de soldagem TIG ( Tungsten Inert Gas ) e MIG ( Metal Inert Gas ) e combinações delas. 1) Processo U-O-E No processo U-O-E, ligas metálicas no formato de chapas são submetidas primeiramente à usinagem seguida de leve deformação das arestas laterais que estão dispostas na longitudinal. Com as arestas já levemente curvadas para cima, realiza-se posteriormente a prensagem da chapa; na etapa de prensagem, a chapa é submetida a duas operações: na primeira, um pulsão com o formato em U pressiona a chapa conferindo a ela o formato que ele apresenta; maiores detalhes podem ser verificados na Figura 16. Na segunda etapa, um outro pulsão, agora com o formato de U invertido pressiona a chapa impondo às arestas curvadas levemente após usinagem uma curvatura ainda maior assim, a seção transversal da chapa se assemelha, após 26

27 submissão a essa segunda prensagem, à letra O; interessante mencionar que a etapa de leve curvatura das arestas após a usinagem é realizada apenas para facilitar a etapa de prensagem por meio do pulsão com o formato de U invertido. (6) Figura 16 - Atuação da prensa U no processo U-O-E (6) Após a etapa de prensagem, a chapa conformada é submetida à soldagem; o processo de soldagem utilizado é a soldagem ao arco submerso, também conhecido pela sigla SAW (Submerged Arc Welding). Esse processo é caracterizado por um tipo de operação semi-automática ou automática; o custo dos equipamentos utilizados em sua realização é razoável, equivalendo a aproximadamente 10 vezes o custo de equipamentos empregados no processo de soldagem com eletrodo revestido (o mais barato dentre todos). Os consumíveis utilizados no processo são basicamente um eletrodo ou uma fita, a partir dos quais se produzirá juntamente com metal de base diluído a solda e o fluxo; o fluxo apresenta múltiplas funções no processo, dentre as quais destaca-se o refino da poça de fusão, a geração de atmosfera protetora ao redor da dela capaz de evitar contaminação com agentes presentes na atmosfera, a adição de elementos de liga e a obstrução do contato visual com o arco elétrico. O fluxo pode ser classificado com base em dois critérios: quanto à basicidade ou quanto à capacidade de adição de elementos de liga; em termos de basicidade, o fluxo pode ser ácido se apresentar índice de basicidade (BI) menor que 1 (nesse caso, são constituídos normalmente por MnO, FeO ou SiO 2 ), neutro se apresentar BI entre 1 e 1,5 e básico se apresentar BI maior que 1,5 (em geral, composto por CaO, MgO e BaO). Quanto à adição de elementos de liga, o fluxo pode ser ativo (se, durante o processo, adiciona elementos de liga à poça de fusão) ou neutro se não adicionar quaisquer elementos de liga à poça de fusão. 27

28 Por ser granular, problemas de segregação granulométrica em seu emprego são freqüentes, o que afeta o desempenho da junta formada; além disso, seu alto custo tem estimulado a reciclagem de mesmo no processo. A reciclagem do fluxo é um procedimento delicado, uma vez que não pode ser realizada de maneira indefinida e o fluxo a ser reciclado não pode ser utilizado sem estar misturado a fluxo novo; em geral, para geração da mistura, a proporção a ser utilizada é 3 partes de fluxo novo para 1 parte de fluxo usado. Dentre as características do processo menciona-se taxas de deposição de 6 a 20 kg/h quando faz-se o emprego de fita e 6 a 40 kg/h quando utiliza-se eletrodo. Por meio do processo, faz-se a união de chapas com mais de 5 mm; as posições de soldagem para realização do processo são limitadas assim, a técnica só pode ser aplicada nas posições plana ou horizontal; o mesmo vale para o tipo de junta o uso se restringe à junta tipo topo e aresta. A diluição é de 50 a 80% quando emprega-se eletrodo e de 5 a 20% para a fita; as correntes possíveis de serem atingidas durante o processo variam de 350 a 2000 A. Na Figura 17, tem-se um desenho representativo do processo. Figura 17 Processo de soldagem a arco submerso (6) Após o processo de soldagem, o tubo é sujeito a um processo de expansão, o qual confere ao mesmo o formato final (formato da letra O) e a ensaios não destrutivos que avaliam a sanidade dos mesmos no que concerne a existência de trincas, porosidade, enfim, defeitos capazes de afetar o desempenho mediante as solicitações suportadas por eles em serviço. Um resumo do que foi antes descrito está contido na Figura

29 Figura 18 - Síntese do processo U-O-E (6) 2) Produção de tubos espirais No processo de produção de tubos espirais (ou helicoidais), chapas são submetidas a processo de conformação contínuo por meio de um equipamento que as conformam na espiral, conferindo a elas raio de curvatura constante; os vazios presentes na chapa enrolada, resultante da união de duas arestas são unidos também de maneira contínua por meio do processo de soldagem a arco submerso. (4) Atualmente, o processo pode ser executado através de dois arranjos: integrado, em que conformação e soldagem são feitos em um mesmo equipamento e separado, em que são feitos em dois equipamentos distintos. Uma das vantagens em relação ao processo de produção de tubos na longitudinal (tais como o processo U-O- E, por exemplo) refere-se à possibilidade de confeccionar, a partir de uma mesma chapa, tubos com diversos diâmetros. Assim, quando deseja-se realizar esse tipo de procedimento, basta alterar o ângulo de entrada da chapa no equipamento de conformação quanto menor ele for, maior será o diâmetro do tubo produzido e, por conseguinte, menor será o comprimento obtido considerando-se um comprimento fixo de chapa. (4) 29

30 Quanto aos tubos fabricados por esse processo, apresentam diâmetro que varia entre 500 e 2500 mm; o comprimento varia conforme a aplicação. A espessura da chapa utilizada na fabricação do tubo é próxima de 20 mm. (4) As etapas do processo estão expostas de maneira resumida na Figura 19; primeiro, faz o desbobinamento, ou seja, converte-se bobina novamente em chapa. Em seguida, faz-se a retirada de aparas as das arestas laterais da chapa, em geral resultante do processo de laminação e bobinamento das mesmas. Após a remoção das aparas, a chapa é conformada na forma de espiral e, tão logo é conformada, é submetida a processo de soldagem ao arco submerso tanto no chanfro formado pela união das arestas laterais da chapa; importante mencionar que a soldagem é realizada internamente e externamente. Após a soldagem, o tubo formado é separado do restante da chapa, submetido a operações de acabamento e de inspeção, que visa verificar a sanidade do tubo e se está apto para uso em aplicações no campo. Figura 19 - Processo de produção de tubo espiral e suas etapas (7) 30

31 REFERÊNCIAS 1. A. Antaki, George. Piping and Pipeline Engineering - Design, Construction, Maintenance, Integrity, and Repair. [Documento disponível em +Pipeline+Engineering:+Design+Construction,+Maintenance,+Integrity&hl=pt- BR&ei=3621TqnsDIHZgQfXvuG_BA&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1&ved =0CDYQ6AEwAA#v=onepage&q&f=false] s.l. : Marcel Dekker, Metals International Limited. Seamless Pipe - Metals International Limited. Metals International Limited. [Online] DIYTrade.com. [Citado em: 05 de Novembro de 2011.] 3. Kaushish, J. P. Manufacturing Processes. [Documento disponível na URL: turing+processes&hl=pt- BR&ei=_su1TtrhCYargweiiqGYBA&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=2&ved=0 CDEQ6AEwAQ#v=onepage&q&f=false] Nova Delhi : Prentice-Hall. 4. Heinz Brensing, Karl e Sommer, Baldur. Steel Tube and Pipe Manufacturing Processes. [Documento no formato pdf disponível na URL: 5. Portal Metálica. Tubulação Indústrial - Portal Metálica. Site do Portal Metálica. [Online] EFX design. [Citado em: 17 de Outubro de 2011.] 6. Nagle Armendro, Bruno e Alonso-Falleiros, Neusa. Aços ARBL: Desempenho quanto à corrosão na presença de sulfeto. [Documento no formato pdf.] São Paulo, SP, Brasil : s.n., Relatório de pesquisa apresentado ao programa "Ensinar com pesquisa", da pró-reitoria de Graduação da Universidade de São Paulo. 7. [Online] [Citado em: 05 de Novembro de 2011.] 31