Cap. 2Caracterizarea oelurilor utilizate la fabricarea evilor pentru sistemele de conducte destinate transportului hidrocarburilor

Diagrama fier - carbon

Proprietile structurilor de echilibru ale oelurilor carbon Caracteristicile depind de procentul de carbonPerlita - amestec de 12% Fe3C si 88% feritaEfectul de ranforsare al particulelor dure de Fe3C

Diagramele timp - temperatur - transformare (TTT) la rcirea austenitei

Clase structurale de oeluriOeluri perlitice. Sunt oeluri carbon i oeluri slab sau mediu aliate Oeluri feritice. Sunt oeluri cu coninut sczut de carbon, aliate cu elemente alfagene (Cr, Si, W, V etc.), structura fiind format din ferit aliat i eventual carburi ale elementelor de aliere (oeluri feromagnetice).Oeluri martensitice sau autoclibile . Sunt oeluri nalt aliate la care viteza critic de clire este mic astfel c la rcirea n aer se obine martensit.Oeluri austenice. Sunt oeluri nalt aliate cu Ni, Cr, Mn, astfel c se asigur formarea unei structuri austenitice stabile la temperatur ambiant (oeluri paramagnetice).Oeluri ledeburitice. Sunt oeluri cu coninut ridicat de carbon (peste 0,6%) i elemente care formeaz carburi stabile (Cr, W, V, Mo etc.), astfel c la solidificare sufer i transformarea eutectic.

Simbolizare oeluri

Simbolizare oeluri (continuare)

Simbolizare oeluri (continuare)

Tipuri de oeluri utilizate la realizarea evilor pentru conducte i problemele tehnologice la sudarea prin topire a acestora

Factori care influeneaz rezistena mecanic a conductelor

Calitatea oelurilor din care sunt fabricate evile care alctuiesc tubulatura conductelor; Agresivitatea fluidului vehiculat; Agresivitatea solului n care se amplaseaz conductele;Concepia constructiv a conductelor;Tehnologiile de fabricare a evilor;Tehnologiile de realizare a conductelor prin sudarea cap la cap a evilor i a celorlalte componente care intr n alctuirea tubulaturii;Regimul de lucru la transportul gazelor prin conducte:calitatea fluidului vehiculat,presiunea de operare a conductei,regimul de curgere a fluidului n conduct,temperatura de lucru etc.,suprasolicitarea mecanic accidental a conductelor (alunecrile de teren, seismele, aciunea apelor freatice etc.).

Oelurile clasice utilizate la realizarea evilor pentru conducte Structura ferito - perlitic tipic oelurilor nealiate sau slab aliate hipoeutectoide;Creterea caracteristicilor de rezisten mecanic se realizeaz n principal prin creterea concentraiei carbonului, care are ca efect mrirea coninutului de perlit din structur;Semifabricatele de tip platband destinate fabricrii evilor sudate longitudinal sau elicoidal se realizeaz prin procedee de laminare obinuite (laminare normalizant); Granulaia fin a acestora este asigurat prin microaliere cu Ti, V, Nb etc. i conducerea corect a operaiilor de laminare.

Compoziia chimic

Compoziia chimic (continuare)

Observatii la compozitia chimica) Pentru fiecare reducere cu 0,01 % a concentraiei maxime specificate a carbonului este permis o cretere cu 0,05 % a concentraiei maxime specificate a manganului, dar fr ca aceast concentraie s depeasc 1,50 % pentru oelurile X42...X52, 1,65 % pentru oelurile X56...X65 i 2,00 % pentru oelurile X70 i X80; b) %Nb + %V 0,03 %, dac productorul i beneficiarul evilor nu au stabilit altfel; c) Nb, V sau combinaiile lor se pot utiliza pentru microaliere fr restricii; d) %Nb + %V + %Ti 0,15 %; e) %Nb + %V 0,06 %, dac productorul i beneficiarul evilor nu au stabilit altfel; f) Alte compoziii pot fi propuse de productor i acceptate de beneficiar, dac sunt respectate prescripiile din tabel privind coninuturile de impuriti (S i P). * PSL Product Specification Level (nivelul specificat al produsului)

Caracteristici mecanice

Caracteristici mecanice (continuare)

Observaii la caracteristicile mecanicea) Alungirea procentual dup rupere, msurat la o distan ntre reperele epruvetei de traciune de 2 in (50, 80 mm), trebuie s depeasc valoarea dat de relaia :

S min (S0; 485 mm2), S0 fiind aria seciunii transversale a poriunii calibrate a epruvetei ncercate la traciune, n mm2, iar Rm rezistenta minim la tractiune, n N/mm2, a oelului analizat; b) Caracteristicile de tenacitate se stabilesc la ntelegere ntre productorul i beneficiarul evilor.

Oelurile moderne utilizate la realizarea evilor pentru conducte Respect prescripiile generale recomandate; Sunt realizate cu performane sporite privind coninuturile de impuriti;Prezint niveluri sczute ale concentraiilor de carbon i reete de microaliere complexe;Au o structur cu ferit acicular (bainit cu coninut sczut de carbon);Caracteristicile de rezisten mecanic se realizeaz n principal prin obinerea unei granulaii foarte fine i asigurarea unor efecte de durificare prin precipitarea unor compui intermetalici (nitruri sau carbonitruri de dimensiuni submicroscopice ale elementelor cu care sunt microaliate); Performanele de rezisten mecanic i tenacitate asigurate au determinat includerea acestor oeluri n categoria oelurilor slab aliate (microaliate) cu rezisten mecanic ridicat HSLA (High Strength Low Alloy).

Oeluri HSLA

Compoziia chimic

Observaii la compoziia chimica oelurilor modernea) Valori minime, n % masice (dac nu se precizeaz altfel); valorile maxime ale concentratiilor se stabilesc de productorul de evi, cu respectarea cumulat a tuturor prescriptiilor din tabel; b) Pentru aceste elemente trebuie respectate i conditiile din tabelul de mai jos:

Observaii la compoziia chimic a oelurilor moderne (continuare)c) Se va respecta i condiia % (Cu Ni Cr) 0,50; d) Mo poate fi max. 0,35 %, dac s-a introdus neintenionat V; e) Pcm %C %Si/30%(Mn Cu Cr)/20 %Ni/60 %Mo/15 %V/105 %B; Pcm are semnificaia unui carbon echivalent pentru oelurile cu %C 0,12 %, pentru oelurile cu %C > 0,12 % se utilizeaz carbonul echivalent definit de I.I.S./I.I.W. :Ce = %C + %Mn/6 + (%Cr+%Mo+%V))/6 + (%Ni+%Cu)/15.

Caracteristici mecanice

Caracteristici mecanice (continuare)

Observaii la caracteristicile mecaniceb) Pentru evile folosite la conductele de gaze: a 10 0C, dac grosime evii este s 20 mm, a 20 0C, dac grosime evii este 20 s 30 mm,a se stabilete la ntelegere ntre beneficiar i fabricant, dac grosimea evii este s 30 mm; c) Se vor ncerca seturi de min. 3 epruvete, cu crestturile orientate radial pe grosimea evii i vrful situat n MB, CUS i ZIT; d) Energia minim absorbit de epruvetele ncercate se stabilete la ntelegere ntre beneficiar i fabricant.

Oeluri moderne (continuare)Semifabricatele de tip platband destinate fabricrii evilor sudate longitudinal sau elicoidal se realizeaz din astfel de oeluri prin procedee de laminare controlat sau laminare termomecanic - laminare cu grade mari de deformare la care se controleaz strict: temperaturile de lucru, vitezele de nclzire i rcire, gradele i vitezele de deformare la fiecare trecere;Se pune n valoare prezena n aceste oeluri a unei game largi de elemente de microaliere (Nb, V, Ti, Mo etc.).

Oeluri moderne (continuare)

Oeluri moderne (continuare)Valorificarea microalierii complexe prin utilizarea laminrii termomecanice permite obinerea unor performane foarte ridicate privind caracteristicile de rezisten mecanic, n condiiile meninerii la niveluri sczute a concentraiilor de carbon.

Oeluri moderne (continuare)

Oeluri romneti / europenen prezent sunt adoptate la noi n ar standardele europene care reglementeaz calitatea evilor din oel pentru conductele destinate fluidelor combustibile SR EN 10208.Clasele de prescripii (de calitate) - echivalente nivelurilor specificate ale produsului din standardul API 5L: clasa A este echivalent cu PSL 1 (conducte la care condiiile tehnice nu prevd garantarea tenacitii evilor prin prescrierea unor valori minime ale energiei de rupere la ncercarea la ncovoiere prin oc); clasa B cu PSL 2 (la care sunt impuse condiii privind nivelul minim al tenacitii evilor).

Oeluri romneti clasa A caracteristici

Oeluri romneti clasa B, compoziia chimic

Observaii la compoziia chimic a oelurilor romnetia) Pentru evile cu grosimea de perete s 25 mm; pentru evile cu grosimea de perete cuprins ntre 25 mm i 40 mm, compoziia chimic se stabilete prin acord. b) Pentru fiecare reducere a coninutului n carbon cu 0,01 % fa de coninutul maxim indicat se admite o cretere de 0,05 % a manganului, dar nu cu mai mult de 0,2 % fa de valoarea indicat. c) Relaia de calcul a carbonului echivalent stabilit de IIS/IIW (tabelul 4.6);d) 0,015 %Altotal < 0,060; %N 0,012; %Al/%N 2; %Cu 0,25; %Ni 0,30; %Cr 0,30; %Mo 0,10;e) %V + %Nb + %Ti 0,15; f) %Mo 0,35;g) 0,015 %Altotal < 0,060; %N 0,012; %Al/%N 2; %Cu 0,25; %Ni 0,60; %Cr 0,50; %Mo 0,35;h) Stabilit prin acord.

Oeluri romneti, clasa B caracteristici mecanice

Echivalare oeluri pentru conducte

Determinarea compoziiei chimice a oelurilor pentru conducteRezultatele analizelor chimice efectuate asupra materialului tevilor ofer informaii care, corelate cu caracteristicile mecanice obinute prin ncercri, permit calificarea materialului n concordan cu prescripiile standardelor. Analizele chimice se efectueaz de ctre laboratoare autorizate.evile verificate se consider de calitate corespunztoare, dac compoziia lor chimic se ncadreaz n limitele prezentate n tabelele 4.1, 4.13 i 4.15, cu abaterile admisibile precizate n tabelul 4.20 de mai jos.

Criterii de alegere a oelurilor pentru conducteCaracteristicile fluidului transportat;Condiiile de lucru;Reglementrile de proiectare etc.;Influena compoziiei chimice a oelurilor asupra rezistenei la coroziune a evilor:creterea coninutului de carbon al oelurilor determin creterea vitezei de coroziune, microalirea cu cuprul reduce viteza de coroziune ca urmare a realizrii unui efect de pasivare.

Probleme tehnologice la sudarea prin topire a oelurilor pentru conducteOeluri clasice

Sudabilitatea satisfctoare, dac concentraia carbonului nu este mrit excesiv i dac se aleg convenabil procedeul i regimul de sudare.Concentraia carbonului la aceste oeluri nu depete 0,30...0,31 %, pentru obinerea gradelor superioare de rezisten recurgndu-se la folosirea unor reete de elaborare cu concentraii ale manganului superioare celor tipice oelurilor carbon (nealiate).Principala problem tehnologic - n zona influenat termic, ZIT, a mbinrilor sudate - materialul poate cpta duriti mai mari dect cele corespunztoare materialului de baz, MB, i materialului de adaos, MA, utilizat la realizarea custurilor sudate, CUS.Criteriul principal de validare a tehnologiilor de sudare l constituie asigurarea n mbinrile sudate a unor structuri cu tenacitate ridicat, care s mpiedice declansarea fenomenelor de fragilizare i/sau fisurare la rece.

Calculul duritii maxime n ZITCriteriuL folosete ca estimator global durata de rcire ntre 800 0C i 500 0C, notat t8/5, corespunztoare rcirii materialului din ZIT supus n timpul sudrii unor cicluri termice cu temperatura maxim de nclzire mai mare dect 825 ... 850 0C i care se poate determina, n funcie de grosimea s a peretelui evilor care se sudeaz:

Calculul duritii maxime n ZIT (continuare)sk grosimea de perete critic (de tranziie), peste care viteza i durata (timpul) de rcire ntre 800 0C i 500 0C ale materialului din ZIT nu mai depind de grosimea de perete a elementelor care se mbin prin sudare:

este conductivitatea termic a MB, se poate estima cu formula:

fiind suma coninuturilor procentuale de elemente de aliere ale oelului respectiv

Calculul duritii maxime n ZIT (continuare)c cldura masic medie a MB ntre 800 0C i 500 0C, c = 660 800 J/(kg 0C)); densitatea MB (pentru oeluri, = 7850 kg/m3), tpr temperatura de prenclzire (n 0C), F2 i F3 sunt factori de form, care in seama de influena configuraiei mbinrii sudate asupra modului (bidimensional sau tridimensional) de transfer termic F2 = F3 = 0,9 n cazul realizrii mbinrilor cap la cap, F2 = 0,45...0,65 i F3 = 0,60...0,70 (n cazul realizrii mbinrilor sudate n col), ELE este energia liniar efectiv la sudare, ELE = 0,85EL , EL fiind energia liniara la sudare

Exemplificri pentru factorii F2 i F3

Calculul duritii maxime n ZIT (continuare)t8/5 trebuie s se afle n domeniul corespunztor realizrii n ZIT a unor structuri care asigur o combinaie convenabil a caracteristicilor de rezisten mecanic i de tenacitate.t8/5 se coreleaz cu compoziia MB i se determin valoarea duritii maxime care se obine n ZIT a mbinrilor sudate HVmax, pe baza unor algoritme de tipul prezentat in continuare.

se determin valoarea duritii n ZIT corespunztoare unei structuri complet martensitice HVM:

Calculul duritii maxime n ZIT (continuare)se determin valoarea duritii n ZIT corespunztoare unei structuri complet bainitice HVB

Calculul duritii maxime n ZIT (continuare)se calculeaz valoarea duritii n ZIT corespunztoare unei structuri curente (cu coninutul procentual de martensit situat ntre 0 % i 100 %, realizat prin rcirea austenitei din ZIT cu viteza corespunztoare t8/5) HVX :

se calculeaz fraciunea din structura curent a ZIT nealctuit din martensit AB

dac rezult AB < 0, se ia AB = 0, iar dac se obine AB > 1, se ia AB = 1)

Calculul duritii maxime n ZIT (continuare)se calculeaz valoarea duritii maxime n ZIT HVmax

dac HVmax HM (HM fiind nivelul maxim admisibil al duritii n ZIT), atunci regimul de sudare supus verificrii este validat, dac HVmax > HM regimul de sudare dat trebuie corectat (se modific EL i tpr astfel, nct s rezulte creterea estimatorului t8/5 la nivelul corespunztor asigurrii unei duriti HVmax HM ).

Probleme la sudare - oeluri clasiceValoarea HM depinde de coninutul de hidrogen difuzibil din mbinarea sudatPrincipala surs de hidrogen difuzibil n mbinrile sudate o constituie materialele utilizate la sudare, nivelurile hidrogenului NH fiind ncadrate n patru clase, simbolizate (conform prescripiilor IIS) astfel: H nivel ridicat, coninutul de hidrogen, (n mililitri de H difuzibil la 100 g metal depus) fiind 20 ml/100g; M nivel mediu cu, 10 < 20; L nivel sczut, cu 5 < 10ml/100g i VL nivel foarte sczut, cu < 5 ml/100g.

Probleme la sudare oeluri clasice (continuare)La sudarea cu diferite tipuri de materiale de sudare, se obin n mod obinuit urmtoarele coninuturi de hidrogen n mbinrile realizate:la SE cu electrozi bazici bine uscai, 10 ...12 ml/100g;la SE cu electrozi cu alte nveliuri (diferite de cele bazice), 20...25 ml/100g; la SAF (cu srm curat i flux uscat), 10...15 ml/100g.

Probleme la sudare oeluri clasice (continuare)Nivelul hidrogenului NH, corespunztor materialelor de sudare alese i procedeului de sudare adoptat, se coreleaz cu nivelul maxim admisibil al duritii n ZIT HM, rezultnd scrile: scara A, cu NH = H i HM = 350 HV10;scara B, cu NH = M i HM = 375 HV10;scara C cu NH = L i HM = 400 HV10; scara D, cu NH = VL i HM = 450 HV10

Probleme la sudare oeluri clasice (continuare)Pentru ndeplinirea condiiei HVmax HM trebuie aleas convenabil energia liniar la sudare EL i trebuie folosit corect prenclzirea pentru sudarerealizarea unor CUS cu un numr minim de rnduri; folosirea unor valori ridicate pentru EL ;prenclzirea la temperaturi mari (tpr = 150...200 0C)

Materiale de adaos recomandate

Regimuri de sudare recomandate

Caracteristicile n ZIT la sudarea unor oeluri clasice pentru conductePentru electrozii nvelii (tabelul 4.3) i pentru regimurile de sudare recomandate (tabelul 4.4) s-au analizat, considernd sudarea unor conducte realizate din evi cu diferite grosimi de perete, urmtoarele aspecte : duritatea maxim ce se obine n ZIT a mbinrilor sudate, dac se sudeaz fr prenclzire;temperatura minim de prenclzire pentru care este ndepli-nit condiia, precizat n procedura de verificare a regimurilor de sudare, HVmax HM ;care este temperatura minim de prenclzire pentru care este ndeplinit cea mai restructiv condiie (HVmax 350 HV10 )

Caracteristicile n ZIT la sudarea unor oeluri clasice (continuare)

Caracteristicile n ZIT la sudarea unor oeluri clasice (continuare)

Caracteristicile n ZIT la sudarea unor oeluri clasice (continuare)

Probleme la sudare oeluri moderne

CUS nu se poate supune ulterior sudrii unui tratament termomecanic similar celui suferit de MB este necesar :utilizarea unor MA cu concentraii ale carbonului mai mari dect cele corespunztoare MB;mrirea concentraiei de mangan la 1,4...1,5%;alierea cu 0,2 ... 0,5 % Mo;Cr (max. 0,2 %);Ni (max. 1 %); alte elemente care s asigure CUS cu granulaie fin i rezisten mecanic ridicat.

Probleme la sudare oeluri moderne (continuare)n ZIT a mbinrilor sudate se formeaz o fie de deconsolidare, n care duritile obinute au valori mai mici dect cele asigurate n CUS i MB: fia de deconsolidare se realizeaz deoarece MB este renclzit i se produc fenomene de coalescen i cretere a dimensiunilor precipitatelor din structura cu ferit acicular.

Probleme la sudare oeluri moderne (continuare)Zona de deconsolidare din ZIT poate fi acceptat dac raportul dintre limea i grosimea componentelor care se sudeaz se menine sub 0,22

Probleme la sudare oeluri moderne (continuare)Raportul kD are expresia analitic:

A este o caracteristic fizic a MB,A = 4,13c, fiind densitatea MB iar c cldura masic medie a MB; pentru oeluri, = 7850 kg/m3, c = 550600 J/(kg0C), A = 17,719,4 MJ/(m3 0C), Ts este temperatura de topire solidificare a MB (pentru oeluri, Ts = ts + 273 1773 K), Tp este temperatura stabilitii minime a austenitei MB (temperatura maximului cinetic la transformarea la rcire a austenitei oelului din care sunt confecionate componentele ce se mbin prin sudare, care pentru oeluri este Tp = tp + 273 = 773873 K), T0 temperatura de prenclzire Tpr (sau temperatura ntre straturi Tis) la realizarea CUS.

Probleme la sudare oeluri moderne (continuare)Respectarea condiiei kD = lD/s 0,22 impune: sudarea cu energii liniare reduse (ceea ce presupune realizarea CUS dintr-un numr mare de straturi i rnduri nguste) sudarea fr prenclzire sau cu prenclzire la temperaturi ct mai mici.

Materiale de adaos recomandate

Regimuri de sudare recomandate

Caracteristicile n ZIT la sudarea unor oeluri moderne

Probleme la sudare oeluri moderne (continuare)La sudarea evilor cu grosime de perete mic (s < 9,5 mm), regimurile de sudare recomandate n tabelul 4.11 nu pot asigura limi ale fiei deconsolidate din ZIT care s permit ndeplinirea condiiei kD 0,22;Se recomand considerarea la proiectarea conductelor a unor rezistene mecanice ale mbinrilor sudate mai mici dect ale MB i/sau utilizarea unor procedee de sudare cu energii liniare de sudare EL < 400 kJ/m.

Probleme la sudare oeluri moderne (continuare)La sudarea evilor cu grosimi de perete s 9,5 mm se vor utiliza regimurile cu EL mic :sudarea cu electrozi de diametru mic;realizarea CUS cu numr mare de rnduri i straturi filiforme; fr prenclzire, astfel nct s fie respectat condiia kD 0,22 .

Probleme la sudare oeluri moderne (continuare)La sudarea evilor cu grosime mare (s 14,3 mm), se vor realiza CUS cu rnduri i straturi filiforme, aplicnd tehnologiile de la sudarea oelurilor clasice