Che cos'è il trattamento termico dei tubi e perché è importante?
Il trattamento termico è un processo controllato di riscaldamento dei tubi di acciaio a una temperatura specifica, mantenimento a tale temperatura per un tempo specificato e quindi raffreddamento a velocità controllata. Lo scopo è alterare la microstruttura dell'acciaio, modificandone così le proprietà meccaniche - resistenza, durezza, tenacità e duttilità. Il trattamento termico è essenziale per ottenere le proprietà specificate richieste da standard quali ASTM, API ed EN. Senza un adeguato trattamento termico, i tubi in acciaio potrebbero non soddisfare i requisiti minimi di resistenza allo snervamento, potrebbero non avere tenacità per il servizio a bassa-temperatura o potrebbero avere una durezza eccessiva che porta a fessurazioni o guasti indotti dall'idrogeno-.
La necessità del trattamento termico emerge in diverse fasi della produzione dei tubi. Dopo la laminazione a caldo o la trafilatura a freddo, la microstruttura così come-formata è tipicamente non-uniforme e può contenere fasi indesiderate. Il trattamento termico omogeneizza la struttura e allevia le tensioni interne. Dopo la saldatura, la-zona termicamente alterata (HAZ) potrebbe presentare una microstruttura indurita o infragilita che richiede un trattamento termico post-saldatura (PWHT) per ripristinare le proprietà. Standard come A106 Gr.B richiedono la condizione normalizzata per determinate dimensioni, mentre API 5L X60 e versioni successive richiedono in genere la tempra e il rinvenimento (Q&T) per i gradi ad alta resistenza.
Normalizzazione
La normalizzazione comporta il riscaldamento del tubo a una temperatura di circa 30-50 gradi superiore alla temperatura di trasformazione Ac3 (la temperatura alla quale la ferrite si trasforma completamente in austenite), mantenendolo per garantire la completa austenitizzazione e quindi raffreddando in aria calma. Per l'acciaio al carbonio (A106 Gr.B), la temperatura di normalizzazione è generalmente di 870-930 gradi. Il lento raffreddamento all'aria produce una microstruttura fine di perlite-ferrite con granulometria uniforme. La normalizzazione affina la struttura del grano come laminato, omogeneizza la composizione chimica e migliora la tenacità rispetto alla condizione come laminato.
I tubi che comunemente richiedono la normalizzazione includono A106 Gr.B (condizione di consegna standard per dimensioni con spessore della parete > 19 mm), tubi a bassa-temperatura A333 Gr.6 (la normalizzazione garantisce la struttura a grana fine necessaria per la resilienza alle basse-temperature) e molti gradi di acciaio al carbonio per servizi di pressione generali. Il processo di normalizzazione migliora anche la lavorabilità creando una microstruttura uniforme e relativamente morbida. Dopo la normalizzazione, il tubo presenta proprietà meccaniche costanti lungo la sua lunghezza e circonferenza, il che è essenziale per prestazioni prevedibili sotto pressione.
Tempra
La tempra prevede il riscaldamento del tubo alla temperatura di austenitizzazione (tipicamente 850-950 gradi per l'acciaio al carbonio, 1040-1080 gradi per l'acciaio legato P91/P92) e quindi il raffreddamento rapido in un mezzo di tempra - acqua, olio o soluzione polimerica. Il rapido raffreddamento sopprime la trasformazione controllata dalla diffusione in perlite e favorisce invece la formazione di martensite, una microstruttura dura e ad alta resistenza. La velocità di raffreddamento deve superare la velocità di raffreddamento critica per la composizione specifica dell'acciaio per ottenere la completa trasformazione della martensite. La tempra in acqua fornisce la velocità di raffreddamento più rapida ma può causare distorsioni o crepe. La tempra di olio e polimeri offre un raffreddamento più lento e più controllato con un rischio ridotto di cricche.
I tubi che richiedono tempra includono gradi API 5L ad alta resistenza (da X60 a X80), dove è necessario raggiungere un limite di snervamento minimo di 414-552 MPa, e gradi API 5CT per tubi e involucri (N80, L80, P110) per il servizio dei pozzi petroliferi. La scelta del mezzo di tempra dipende dalla composizione dell'acciaio e dalla geometria del tubo. Per i tubi a parete spessa-, potrebbe essere necessario il raffreddamento in acqua per ottenere una velocità di raffreddamento sufficiente al centro della parete, mentre i tubi a parete sottile possono utilizzare olio o polimero per ridurre il rischio di distorsione.
Temperamento
Il rinvenimento viene eseguito immediatamente dopo la tempra e comporta il riscaldamento del tubo a una temperatura inferiore alla temperatura di trasformazione Ac1 (tipicamente 500-750 gradi a seconda del grado), il mantenimento per un tempo specificato e quindi il raffreddamento. Il rinvenimento allevia le tensioni interne create durante la tempra, riduce la durezza a un livello specificato e migliora la tenacità consentendo la decomposizione parziale della martensite in martensite rinvenuta. Senza la tempra, il tubo raffreddato sarebbe troppo fragile per il servizio e sarebbe suscettibile di fessurazioni sotto pressione o impatto.
Il rinvenimento a bassa-temperatura (150-300 gradi) fornisce una riduzione minima della durezza pur mantenendo un'elevata resistenza, utilizzato per alcuni gradi ad alta-resistenza. Il rinvenimento ad alta-temperatura (600-750 gradi) riduce significativamente la durezza ma migliora notevolmente la tenacità, utilizzato per gradi che richiedono un equilibrio tra resistenza e tenacità come API 5L X65/X70. La combinazione di tempra seguita da rinvenimento (Q&T) è un processo standard per tubi ad alta resistenza, che fornisce proprietà meccaniche significativamente migliori rispetto a quelle ottenibili attraverso la sola normalizzazione.
Ricottura
La ricottura completa prevede il riscaldamento all'intervallo di austenitizzazione, un lento raffreddamento nel forno per produrre una struttura di perlite grossolana e il raffreddamento a temperatura ambiente. La ricottura completa produce la condizione di resistenza più bassa e massima duttilità. Viene utilizzato raramente per la produzione di tubi standard, ma può essere applicato per operazioni di formatura gravose o per alleviare lo stress di componenti fabbricati complessi. La ricottura di distensione (chiamata anche ricottura di processo) viene eseguita a 550-650 gradi per l'acciaio al carbonio, al di sotto della temperatura di trasformazione, per alleviare le tensioni residue dalla trafilatura a freddo o dalla formatura a freddo senza influire in modo significativo sulle proprietà meccaniche. La ricottura sferoidizzante (lunga permanenza appena sotto Ac1) trasforma le piastrine di carburo in particelle sferoidali, migliorando notevolmente la lavorabilità per tubi che richiedono lavorazioni estese. La ricottura viene utilizzata anche per tubi di precisione (trafilati a freddo) dopo l'operazione di trafilatura a freddo per ripristinare la duttilità e alleviare l'incrudimento - vedere il nostroGuida per tubi di precisione rispetto a quella standard.
Tabella comparativa dei trattamenti termici
| Processo | Temp. di riscaldamento | Metodo di raffreddamento | Microstruttura | Forza | Robustezza |
|---|---|---|---|---|---|
| Normalizzazione | Laurea Ac3 + 30-50 | Ancora aria | Perlite fine + ferrite | Medio | Bene |
| Tempra | Laurea Ac3 + 30-50 | Acqua/Olio/Polimero | Martensite | Molto alto | Basso (come-spento) |
| Temperamento | Sotto Ac1 (500-750 gradi) | Aria o fornace | Martensite temperata | Alto-Medio | Eccellente |
| Ricottura completa | Laurea Ac3 + 30-50 | Forno lentamente freddo | Perlite grossolana | Basso | Moderare |
| Alleviare lo stress | 550-650 gradi | Lento freddo | Nessun cambiamento | Nessun cambiamento | Migliorato |
Trattamento termico per materiale
Il tubo in acciaio al carbonio (A106 Gr.B) viene generalmente fornito nella condizione normalizzata per le dimensioni che richiedono un trattamento termico o nella condizione-arrotolata per le dimensioni di parete sottile- più piccole. Il tubo di linea API 5L può essere fornito nella condizione normalizzata, laminata normalizzante o Q&T a seconda del grado e dello spessore della parete. I gradi superiori (X60 e superiori) richiedono in genere Q&T o una lavorazione controllata termomeccanica (TMCP). Il tubo in acciaio legato (A335 P11, P22, P91) viene sempre fornito allo stato normalizzato e temperato. P91 richiede un controllo preciso della temperatura di normalizzazione (1040-1080 gradi) e del rinvenimento (730-780 gradi) per sviluppare la struttura ottimizzata della martensite temperata con fini precipitati di carbonitruro di vanadio-niobio che forniscono la sua eccezionale resistenza allo scorrimento viscoso. Il tubo in acciaio inossidabile (304/316) richiede la solubilizzazione a 1010-1120 gradi seguita da un raffreddamento rapido (raffreddamento in acqua o raffreddamento rapido ad aria) per prevenire la precipitazione di carburo di cromo che ridurrebbe la resistenza alla corrosione.
Attrezzature e controllo per il trattamento termico
Per il trattamento termico dei tubi vengono utilizzati due tipi principali di forni: forni a suola continua a rulli (per la produzione di volumi elevati-di dimensioni standard) e forni a carro- batch (per tubi di-diametro grande, a pareti- spesse o in leghe speciali). L'uniformità della temperatura è fondamentale: il forno deve mantenere la temperatura entro ±10 gradi dal punto di regolazione in tutta la zona di lavoro. I forni moderni utilizzano più termocoppie collegate a sistemi di controllo automatizzati che registrano le curve tempo-temperatura per ciascun ciclo di trattamento termico. Questi registri forniscono la tracciabilità per dimostrare che ciascun tubo o lotto ha ricevuto il trattamento termico specificato. Dopo il trattamento termico, potrebbe essere necessario raddrizzare i tubi per correggere la distorsione. Questa operazione viene generalmente eseguita in una piastra a rulli incrociati a 7-rulli o 9 rulli, seguita da test di durezza per verificare l'efficacia del trattamento termico.
Difetti del trattamento termico
Un trattamento termico improprio può introdurre difetti. Il surriscaldamento o la combustione si verificano quando la temperatura supera il massimo raccomandato, causando un ingrossamento del grano e un'incipiente fusione ai bordi del grano. La decarburazione è la perdita di carbonio dallo strato superficiale, che forma uno strato morbido, a basso-carbonio che riduce la resistenza alla fatica. Le crepe da raffreddamento derivano da un raffreddamento eccessivamente rapido o da concentrazioni di sollecitazioni geometriche, più comuni in tubi a parete-spessa o a sezione-complessa. La non-uniformità della durezza può derivare da una temperatura non uniforme del forno, da un-raffreddamento non uniforme o da variazioni nella composizione chimica del calore. Questi difetti possono essere rilevati mediante test di durezza, esame metallografico e metodi NDT superficiali.
La nostra capacità di trattamento termico
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