EVOLUÇÃO DOS AÇOS PARA TUBOS API UTILIZADOS NO TRANSPORTE DE ÓLEO E GÁS

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1 EVOLUÇÃO DOS AÇOS PARA TUBOS API UTILIZADOS NO TRANSPORTE DE ÓLEO E GÁS Vera Lúcia Othéro de Brito e Carlos Angelo Nunes Faculdade de Engenharia Química de Lorena Departamento de Engenharia de Materiais Pólo Urbo Industrial Gleba AI-6 Mondesir Lorena SP CEP verabrito@usa.net, cnunes@demar.faenquil.br Carlos Henrique Barbosa, Confab Industrial S.A. Departamento de Controle de Qualidade e Assistência Técnica Av. Gastão Vidigal Neto, 475 Cidade Nova Pindamonhangaba SP CEP chbarbos@confab.com.br Rajindra Clement Ratnapuli e Paulo Huet Alípio USIMINAS BR 381 km 210 CEP Ipatinga MG rratnapuli@usiminas.com.br, palipio@usiminas.com.br Resumo Os aços utilizados na fabricação de tubos vêm sendo continuamente desenvolvidos com o objetivo de se elevar a resistência mecânica dos mesmos, mantendo-se adequada tenacidade e soldabilidade. Tubos fabricados com aços de maior resistência mecânica permitem a utilização de espessuras menores, o que reduz o peso por comprimento de tubo, além permitir o aumento da pressão de trabalho admissível para tubos de uma mesma espessura. No Brasil, o desenvolvimento de aços para tubos da série API tem utilizado conceitos baseados na seleção adequada da composição química e dos parâmetros de laminação controlada, de modo a se obter a resistência mecânica desejada sem, no entanto, prejudicar a soldabilidade dos mesmos. O objetivo deste trabalho é relatar como tem ocorrido a evolução dos aços para tubos da série API, com ênfase nos produzidos no Brasil e com base em dados fornecidos por empresas envolvidas tanto na fabricação dos aços quanto na fabricação de tubos. Palavras-chave: Tubos API, aços microligados CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 45801

2 Abstract Linepipe steels have been continuously developed to achieve higher strength combined with good weldability and toughness. Linepipe steels of higher mechanical properties allow the fabrication of pipes of lower thickness and lower weight/length ratio. In addition, higher operation pressures may be adopted for these pipes. The development of API linepipe steels in Brazil has followed concepts based on the selection of the more suitable alloying additions and controlled rolling parameters, resulting in higher strength and good weldability. The aim of this work is to show the evolution of the API linepipe steels, emphasizing the grades produced in Brazil. Data collected from steelmaker and pipe producer were used for the elaboration of this paper. Keywords: API linepipes, microalloyed steels 1. OBJETIVO O objetivo deste trabalho é mostrar a evolução dos aços para tubos API, comentando-se as características microestruturais, de propriedades mecânicas e de processamento destes aços. Uma ênfase maior será dada aos aços produzidos na USIMINAS, destacando os desenvolvimentos mais recentes desta empresa no que diz respeito a aços API de classe mais elevada. 2. INTRODUÇÃO Os aços para tubos utilizados no transporte de óleo e gás são fabricados de modo a atender às especificações da norma API 5L, cuja edição mais recente entrou em vigor em julho deste ano. A norma API estabelece diversas classes para tubos de acordo com a resistência mecânica (terminologia de cada classe: X + limite de escoamento em ksi). Na maior parte das obras, é exigido o atendimento a requisitos suplementares que não constam da norma API. Geralmente, estes requisitos estão relacionados à tenacidade, dureza, resistência à corrosão e ao trincamento induzido por hidrogênio (HIC) 1. No que diz respeito às características dos aços empregados, uma das alterações inseridas na última edição da norma API foi a divisão dos tubos em duas classes (product specification level (PSL) nível de especificação do produto): PSL1 e PSL2. A classe PSL1 possui basicamente os requisitos impostos pela edição anterior, abrangendo os graus de A a X70 (inclusive). Foi incluída uma restrição nos teores de enxofre e fósforo, já que foram eliminadas as variações permissíveis entre análise de panela e de produto. A classe PSL2 abrange os graus de B a X80 e apresenta CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 45802

3 novos requisitos de ensaio de impacto Charpy, carbono equivalente (Ceq) A e Pcm B, além de maiores restrições nos níveis de enxofre e fósforo. 3. MICROESTRUTURA DOS AÇOS LAMINADOS PARA TUBOS A microestrutura dos aços laminados para tubos é bastante dependente da composição química e dos parâmetros do processo de laminação. As microestruturas normalmente encontradas são 2 : Ferrita poligonal/perlita: Este tipo de microestrutura é típico dos aços convencionais, os quais não sofrem resfriamento acelerado após a laminação. Os grãos de ferrita normalmente são equiaxiais e apresentam baixa densidade de discordâncias. A quantidade e a distribuição da perlita dependerá do teor de carbono e de elementos de liga. Ferrita acicular: É uma ferrita não equiaxial e altamente sub-estruturada, formando uma microestrutura de agulhas entrelaçadas. Quando se deseja a obtenção de ferrita acicular e a faixa de velocidade de resfriamento é limitada, normalmente se eleva o teor de Mn (cerca de 2,00%) e se adiciona Mo entre 0,25% e 0,35% para se obter tal microestrutura com resfriamento ao ar. Bainita: Nos aços convencionais para tubos, a bainita representa apenas uma pequena fração da microestrutura. A bainita é uma microestrutura difícil de ser distinguida da ferrita acicular por microscopia óptica e suas ripas apresentam densidade de discordâncias e razão de aspecto mais altas que a ferrita acicular. Constituinte A-M (austenita-martensita): É constituído de pequenas regiões de martensita com austenita retida que podem aparecer na forma massiva ou alongada. Esta microestrutura é normalmente identificada por microscopia eletrônica de varredura. Com ataque adequado, este constituinte se apresenta em alto relevo em relação à matriz e com contornos bem definidos. Quando presente em quantidades acima de 6 a 7%, o constituinte A-M reduz a tenacidade do aço 3. A Ceq = C + Mn + Cr + Mo + V + Ni + Cu B Pcm = C + Cu + Mn + Cr+ Si + Ni + Mo + V + 5B CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 45803

4 4. EVOLUÇÃO DOS AÇOS LAMINADOS PARA TUBOS API Na década de 70 e início da década de 80, os materiais aplicados na fabricação de tubos restringiam-se aos aços C e C-Mn 4. Os graus API 5L empregados na época eram B, X42 e X52. Estes aços possuíam percentual de carbono na faixa de 0,20 a 0,28 e percentuais de enxofre altos comparando-se com os aços atuais. Bordignon et al. 5 mostram em seu trabalho o grau de severidade ao qual os aços para tubos têm sido submetidos desde a década de 60. Segundo este trabalho, o limite de escoamento requerido, a pressão de trabalho, o diâmetro e a espessura dos tubos fabricados são itens que têm sido aumentados continuamente ao longo das décadas. Além disso, os tubos têm sido projetados para possuir resistência mecânica satisfatória em temperaturas cada vez mais baixas. Tubos com maior resistência mecânica permitem a utilização de pressões mais altas e paredes com espessuras menores. A faixa de resistência correspondente à classe mais elevada existente no mercado (X100) era normalmente atendida por aços temperados e revenidos, os quais possuem carbono equivalente relativamente alto. Como já se sabe, um alto carbono equivalente prejudica a tenacidade e a soldabilidade, razão pela qual têm sido pesquisadas outras formas de se obter tal nível de resistência mecânica com carbonos equivalentes mais baixos. Atualmente, o desenvolvimento de aços de classe mais elevada tem sido baseado no TMCP (processamento com controle termo-mecânico). Os fatores decisivos no desenvolvimento metalúrgico do aço de classes mais elevadas são o baixo percentual de carbono, elevado nível de limpidez e a homogeneidade microestrutural 6. A composição química básica desses aços consiste de carbono e manganês com adições de cobre, níquel, molibdênio, nióbio e/ou titânio 6. O cobre tem sido utilizado para se obter endurecimento por precipitação, especialmente em situações em que se requer uma melhor resistência à corrosão combinada com elevadas propriedades mecânicas 7 A combinação de elevados níveis de resistência e tenacidade só pode ser alcançada em aços de baixo teor de carbono. Deste modo, o teor de carbono nos aços para dutos tem sido reduzido continuamente, sendo que esta redução no teor de carbono é compensada pela adição de microligantes. No entanto, somente a adição de microligantes nem sempre é suficiente para garantir alta tenacidade, sendo necessária a realização de laminação controlada. A laminação controlada nos aços empregados na fabricação de dutos envolve elevadas reduções abaixo da temperatura de recristalização, sendo executável apenas em equipamentos de laminação potentes. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 45804

5 Durante a laminação controlada, as temperaturas finais e de reaquecimento são variáveis importantes mas a quantidade de deformação aplicada abaixo da temperatura de recristalização é a variável de maior influência na tenacidade 5. A deformação nesta faixa de temperaturas produz grãos de austenita alongados e bandas de deformação, criando condições propícias à nucleação de grãos de ferrita mais finos. Neste sentido, a adição de nióbio pode ser útil pois este elemento aumenta a faixa de temperaturas nas quais a austenita não se recristaliza. Elevando-se o teor de nióbio é possível diminuir a severidade da laminação para a fabricação do aço. É sabido que a taxa de resfriamento durante a transformação da austenita determinará a microestrutura final do aço. Este conceito foi aplicado à laminação pela primeira vez em 1935, dando origem ao processo "reheat quenched" (RQ). Neste processo, o aço é reaquecido e temperado após a laminação, obtendo-se alta tenacidade e resistência mecânica. Em 1962 foi introduzida a técnica "on-line accelerated cooling" (AcC) resfriamento acelerado na linha de laminação, a qual consiste de um resfriamento acelerado imediatamente após a laminação a quente. O TMCP combina as técnicas de CR (controlled rolling laminação controlada) e AcC. Esta tecnologia foi introduzida pela primeira vez em escala industrial em 1980, no Japão. O TMCP possibilita o controle não apenas da taxa de resfriamento mas também das temperaturas de início e fim do resfriamento por água. Desta forma, pode-se controlar as frações dos produtos de transformação da austenita ao nível desejado, de modo a se obter um balanço entre as propriedades de tenacidade e resistência mecânica. O TMCP permite uma redução no teor de elementos de liga. A figura 1 mostra as condições térmicas dos processos de laminação convencional e TMCP. A figura 2 mostra a comparação entre a resistência mecânica obtida pelo TMCP e a obtida pelo processo convencional de laminação. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 45805

6 Figura 1: Técnicas de laminação 8 Figura 2: Influência das técnicas de laminação nas propriedades mecânicas do aço em função do carbono equivalente 8 CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 45806

7 Embora mesmo a versão mais recente da norma API ainda não mencione a classe X100, podem ser encontrados na literatura diversos trabalhos 6, 7, 9 tratando do desenvolvimento de aços para esta classe de tubos. A tabela 1 mostra as propriedades mecânicas esperadas para um aço da classe X100, de acordo com Kawabata et al. 9 Os autores mostram que a microestrutura obtida no aço por eles desenvolvido, contendo ferrita bainítica com pequenas e dispersas ilhas de martensita, permitiu que a resistência mecânica fosse elevada de forma bastante significativa. Tal microestrutura foi obtida por laminação controlada seguida de resfriamento acelerado interrompido a 150 o C. Tabela 1: Propriedades mecânicas esperadas para um aço para tubos API 5L X100 9 Escoamento (MPa) >688 Resistência Mecânica Lim. de resistência (MPa) >808 Alongamento (%) >18 Energia absorvida a -20 o C - Charpy (J/mm 2 ) >1,74 DWTT* - % de fratura dúctil a -20 o C >85 *DWTT (Drop-weight tear test ensaio de queda de peso) 5. AÇOS PARA TUBOS API FABRICADOS NA USIMINAS Na USIMINAS, segundo Pereira et al. 10, chapas grossas para tubos API começaram a ser produzidas em 1963 nos graus 5LA e 5LB. A partir de então, foram desenvolvidos os graus X42 a X52 (1969), X56 e X60 (1975), X70 (1984) e X80 (em desenvolvimento 11 ). Os graus B, X42 e X46 são tipicamente aços com manganês mais baixo (0,90%) e sem adição de microligantes tais como Nb, V e Ti. Já os graus X52 a X70 possuem manganês de 1,30 a 1,50% e adições de microligantes. Adicionalmente, a usina utiliza molibdênio e baixo carbono para se obter estrutura com ferrita acicular. Adições de cobre são efetuadas juntamente com baixas adições de manganês, baixo teor de enxofre e tratamento com cálcio quando se deseja resistência a HIC. A tabela 2 mostra os requisitos para os aços API utilizados nas principais obras das décadas de 80 e 90 nas quais a USIMINAS foi fornecedora. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 45807

8 Tabela 2 Principais projetos de aços API 5L das quais a USIMINAS foi fornecedora Ano Grau Ceq Energ. Abs. e % frat. dúct.(charpy transv.) Outros requisitos* 1985 X65 < 0,42% X65 < 0,42% X65 < 0,42% 62J/70% (-5 o C) DWTT transv. ( 5 o C)>75%,dureza<95 HRB 1991 X60 < 0,40% 68J/90% (-20 o C) DWTT transv. (-20 o C)>80%,resist. a HIC 1992 X65-60J/80% (-20 o C) Pcm < 0,22% 1992 X70 < 0,43% X60 < 0,39% >80%(-20 o C) X60 < 0,40% 41J/80% (-10 o C) PCM < 0,19%, tam. grão ferrítico >8 (ASTM), testes HIC, CTOD e SSCC X70 < 0,36% 54J/85% (-5 o C) % frat. dúc. DWTT transv.(-5 o C)>85% 1995 X52 < 0,41% 48J (-30 o C) % frat. dúc. DWTT transv.(-20)>85%, tam. grão ferrítico (ASTM) > X70 < 0,40% 71J (-20 o C) X70 < 0,36% 54J/85% (-5 o C) % frat. dúc. DWTT transv.(-5 o C)>85% 1996 X70 < 0,40% 71J (-20 o C) % frat. dúctil DWTT transv.(-10 o C)>40% 1996 X70 < 0,41% X70 < 0,41% X70 < 0,42% 72J (-20 o C) X52 < 0,41% 40J (-40 o C) % frat. dúctil DWTT transv.(-30 o C)>75% 1997 X65 < 0,41% 69J (-20 o C) X70 < 0,42% 72J (-20 o C) X60 < 0,42% 56J (-10 o C) X60 < 0,40% 69J (-20 o C) X60 < 0,40% 150J/80% (-30 o C) Pcm < 0,22% ;DWTT transv.(-30 o C)> 85% 1999 X60 < 0,42% 41J/80% (-20 o C) % frat. dúctil DWTT transv.(-20 o C) > 80% 1999 X65 < 0,42% 25J/80% (0 o C) % frat. dúctil DWTT transv.(0 o C) > 80% 1999 X70 < 0,42% 78J/80% (-20 o C) % frat. dúctil DWTT transv.(-20 o C) > 80% * SSCC (sulphide stress corrosion cracking corrosão sob tensão) CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 45808

9 Observa-se na tabela que na década de 90 as especificações requerendo ensaio Charpy são frequentes e que as temperaturas de ensaio chegam a valores baixos, tais como -40 o C. Além disso, não é rara a exigência de ensaios CTOD (crack tip opening displacement) e ensaios de HIC e SSCC podem ser especificados, de acordo com a obra Desenvolvimentos mais recentes Aço API 5L X70 utilizado no gasoduto Brasil-Bolívia Para esta obra, foram fornecidos pela USIMINAS chapas grossas de aço API 5L X70. Alípio et al. 12 relataram as características deste aço no trecho Corumbá-Campinas do gasoduto. Na produção do aço, foi empregado o processo de laminação controlada com o objetivo de se obter microestrutura refinada. Associada ao processo de laminação controlada, foram feitas adições de Nb, Ti e V (influem na temperatura de não recristalização e causam endurecimento por precipitação) e Ni+Cu (causam endurecimento por solução sólida e retardam a transformação austenita/ferrita). Nas chapas de espessura maior, utilizou-se também Mo e Cr. A microestrutura final do aço foi constituída de ferrita e perlita fina, tendo tamanho de grão ferrítico médio entre 7µm e 5µm. A dureza média foi de 201 HV (10 kgf). Brito 13 realizou ensaios de impacto Charpy V (corpos de prova de 5 mm de espessura) em amostras de aços API 5L X70 em tubos utilizados no gasoduto. Os resultados são mostrados nas figuras 3 e 4. O tubo, de espessura 6,45 mm, apresentou limite de escoamento (LE) de 536 MPa e limite de resistência à tração (LR) de 661 MPa. A microestrutura do aço X70 estudado neste trabalho, apresentada na figura 5, é constituída de bandas de ferrita e perlita finas Energia absorvida (J) Média Resultado % Fratura dúctil Média Resultado Temperatura ( o C) Temperatura ( o C) Figura 3: Resultados de energia absorvida para dois tubos API 5L X70 13 Figura 4: Percentual de fratura dúctil nos CPs Charpy 13 CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 45809

10 Figura 5: Microestrutura do aço para tubo API X Aço para tubos API 5L X80 Atualmente está sendo desenvolvido na USIMINAS, com bons resultados, aço para tubos API X Este tipo de aço normalmente é fabricado em usinas estrangeiras utilizando-se resfriamento acelerado na linha de laminação, como citado no item 3 deste trabalho. Como a USIMINAS ainda não dispões do equipamento necessário para a laminação de aços por este processo, alternativas têm sido buscadas para a viabilização da produção de aços para a classe X80 e superiores. As alternativas encontradas baseiam-se na utilização de composição química adequada e otimização dos parâmetros de laminação controlada. Lopes et al. 11 mostram um exemplo de um aço API X80 desenvolvido na USIMINAS, o qual apresentou composição química contendo molibdênio (0,25%), cromo (0,30%), nióbio (0,090%) e titânio (0,020%), possuindo baixos teores de carbono (0,05%) e enxofre (0,008%). A microestrutura encontrada no aço apresentou matriz ferrítica com sítios de bainita dispersos. A figura 6 mostra a microestrutura do aço obtido no trabalho, em um tubo de 32 de diâmetro e 0,500 de espessura. O tubo cuja microestrutura é mostrada nesta figura apresentou LE de 597 MPa e LR de 686 MPa. O valor mínimo requerido para o limite de escoamento conforme a norma API para o grau X80 é de 551 MPa. O trabalho mostrou que tanto o limite de resistência à tração quanto o limite de escoamento foram ligeiramente elevados após a conformação da chapa em tubo. A tendência inversa é normalmente observada em tubos de microestrutura puramente ferrítica-perlítica. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 45810

11 Os resultados de ensaio de impacto (Charpy V) no tubo soldado são mostrados na figura µm Figura 6: Microestrutura de um aço para tubos API 5L X80 11 Energia Absorvida % Fratura Dúctil J/ cm² % F.D Temperatura - ºC Temperatura - ºC Zona afetada pelo calor! Metal de solda! Metal base do tubo " Metal base da chapa Figura 7: Resultados de ensaio de impacto Charpy no aço mostrado na figura 6. A solda foi efetuada pelo processo arco submerso 11. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 45811

12 Outros pesquisadores 14, 15 também demonstraram ser possível a obtenção de aço para tubos API 5L X80, sem a utilização de resfriamento acelerado na linha de laminação, utilizando-se pequenas adições de boro na composição química do aço. Tais aços podem apresentar microestrutura constituída totalmente de ferrita acicular, bainita ou de ferrita poligonal juntamente com algum destes constituintes. 6. SUMÁRIO Neste trabalho foi mostrada a evolução dos aços para tubos API utilizados no transporte de óleo e gás, mostrando os aspectos microestruturais, de composição e processamento relativos ao desenvolvimento de tais materiais. Ênfase maior foi dada aos aços produzidos na USIMINAS em termos das propriedades mecânicas e microestruturas de aços produzidos naquela empresa. Foi comentada a tendência da utilização de resfriamento acelerado na linha de laminação das usinas estrangeiras para a fabricação dos aços para tubos API de classes mais elevadas. Também foi mostrado que existem alternativas disponíveis nas usinas nacionais para a fabricação de aços para tubos até a classe X80 sem a utilização da tecnologia de resfriamento acelerado. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: 1. STILL, J. R. North sea pipelines past, present and future. Welding & Metal Fabrication. June, 1996 p COLLINS, L. E. et al. Microstructures of linepipe steels. Canadian Metallurgical Quarterly, vol. 22, no. 2, pp , RATNAPULI, R. C. e ALÍPIO, P. H. Desenvolvimento de aços API-X80 e superiores com alto teor de Mn. USIMINAS, dez./ STILL, J. R. Changes in materials and welding processes in the UK sector of the offshore oil and gas industry. Welding & Metal Fabrication. May p BORDIGNON, P. J. P. et al. High strength and tough microalloyed steels which do not require severe controlled rolling regimes. In: INTERNATIONAL CONFERENCE OF IRON AND STEEL TECHNOLOGY IN DEVELOPING COUNTRIES, São Paulo, Novembro CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 45812

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