ES2901710T3 - Alambre laminado en frío de acero de alta resistencia a la fatiga y a la fragilización por hidrógeno y refuerzo de canalizaciones flexibles que lo incluyen - Google Patents

Alambre laminado en frío de acero de alta resistencia a la fatiga y a la fragilización por hidrógeno y refuerzo de canalizaciones flexibles que lo incluyen Download PDF

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Abstract

Alambre laminado en frío de acero, caracterizado porque presenta la composición química siguiente, expresada en porcentajes en peso, 0,2 <= C % <= 0,6 0,5 <= Mn % <= 1,0 0,1 <= Si <= 0,5 % 0,2 <= Cr <= 1,0% P <= 0,020% S <= 0,015% N <= 0,010% y opcionalmente no más del 0,07% de AI, no más del 0,2% de Ni, no más del 0,1% de Mo y no más del 0,1% de Cu, siendo el resto hierro y las inevitables impurezas que provienen de la elaboración, presentando dicho alambre una microestructura que comprende bainita y, opcionalmente, hasta el 35% de ferrita acicular y hasta el 15% de perlita, de manera que la suma de las fases de bainita y de ferrita acicular es superior al 50%, cuya resistencia mecánica a la ruptura Rm está comprendida entre 900 y 1.300 MPa y cuya ductilidad A es superior o igual al 10%.

Description

DESCRIPCIÓN
Alambre laminado en frío de acero de alta resistencia a la fatiga y a la fragilización por hidrógeno y refuerzo de canalizaciones flexibles que lo incluyen
[0001] La presente invención se refiere al campo de la metalurgia destinada a la explotación petrolífera marítima. Se refiere más en particular a los alambres de acero que pueden usarse como elementos de refuerzo o de estructura de componentes o de obras sumergidos en aguas profundas, como las canalizaciones en alta mar flexibles, ya se usen para transportar hidrocarburos líquidos o gaseosos.
[0002] Se sabe que un requisito fundamental relativo a los alambres de este tipo es, además de características mecánicas elevadas, una buena resistencia a la fragilización por hidrógeno en medio ácido sulfuroso, en particular en forma de H2S presente en los fluidos e hidrocarburos transportados.
[0003] Hoy en día, la oferta comercial en el campo de los alambres de acero para su uso en alta mar se sitúa principalmente en clases con baja aleación que presentan una resistencia a la ruptura Rm de 800 MPa aproximadamente.
[0004] Para fabricar estos alambres laminados en frío, se usan, de manera conocida, aceros al manganeso que comprenden del 0,15 al 0,80% en peso de carbono cuya microestructura inicial es perlito-ferrítica. Después de la conformación del alambrón laminado redondo inicial, se le aplica un tratamiento térmico de expansión apropiado para obtener la dureza requerida. Sin embargo, los alambres laminados en frío obtenidos por estos procedimientos clásicos no resisten las condiciones de acidez relativamente severas que se encuentran en aguas profundas, debido a una alta presencia de H2S en el hidrocarburo transportado.
[0005] Además, las canalizaciones en alta mar flexibles deben actualmente funcionar a profundidades de inmersión todavía mayores, lo que exige aumentar la resistencia mecánica a la ruptura por encima de 800 MPa así como la resistencia a la corrosión en fatiga generada por la presencia de H2S y de CO2.
[0006] Además, la presión del mercado sobre los precios es cada vez mayor, lo que impide, por consiguiente, el recurso habitual a elementos de aleación nobles, como el cromo, el niobio, etc., o a etapas de tratamiento largas o múltiples y, por tanto, costosas, sobre todo si deben realizarse en caliente.
[0007] El documento WO 96/28575 describe un procedimiento de fabricación de alambres de acero, en el que un alambre de forma alargada es producido por laminado o estirado de acero constituido por el 0,05-0,8% de C, el 0,4-1,5% de Mn, el 0-2,5% de Cr, el 0,1-0,6% de Si, el 0-1% de Mo no más del 0,25% de Ni y no más del 0,02% de S y de P, y se efectúa un primer tratamiento térmico en el alambre conformado, que comprende al menos una etapa de templado en condiciones predeterminadas para alcanzar una dureza HRC de al menos 32, una estructura de acero con predominio martensítico y bainítico y una pequeña cantidad de ferrita. La invención se refiere a un alambre metálico conformado y a un tubo flexible destinado a transportar un efluente que contiene H2S.
[0008] El documento FR 2 960 556 describe un alambre hecho con acero al carbono con baja aleación destinado a su uso en el sector de explotación petrolífera en alta mar, caracterizado porque presenta la composición química siguiente, expresada en porcentajes en peso de la masa total, siendo el resto hierro y las impurezas inevitables que provienen de la elaboración del metal en estado líquido: 0,75 < C % < 0,95 y 0,30 < Mn % < 0,85 con Cr < 0,4%; V < 0,16%; Si < 1,40% y preferentemente > 0,15%; y opcionalmente no más del 0,06% de AI, no más del 0,1% de Ni y no más del 0,1% de Cu, y que se obtiene a partir de un alambrón redondo laminado en caliente, que tiene de 5 a 30 mm de diámetro aproximadamente, sometido a un tratamiento termomecánico, según dos etapas sucesivas y ordenadas, es decir, primero un templado para conferir al alambrón una microestructura perlítica homogénea, y después una operación de transformación mecánica en frío (trefilado y/o laminado) con una tasa de endurecimiento global apenas ligeramente superior al 50%, para darle su forma definitiva, y que después se somete a un tratamiento térmico de restauración que le confiere las características mecánicas deseadas.
[0009] Por tanto, el objeto de la invención es poner a disposición un alambre de acero que presente muy buenas propiedades de resistencia a la fragilización por hidrógeno en entorno ácido (de tipo H2S) y muy buenas propiedades de resistencia a la corrosión en fatiga (CO2 H2S) para satisfacer las nuevas limitaciones de los mercados del petróleo y del gas, empleando especialmente composición de acero con baja aleación.
[0010] Más en particular, se busca la ausencia de fisuras internas después de ensayos bajo tensión durante 30 días a un pH de 4,1 en un entorno que contiene 5 mbar de H2S, o incluso más (resistencia a la fragilización por hidrógeno).
[0011] Se busca también una ausencia de ruptura en fatiga después de 2 millones de ciclos de flexión bajo una tensión alterna de 100 MPa a 600 MPa en un entorno corrosivo que contiene CO2 y H2S. De forma preferida más en particular, se busca una ausencia de ruptura en fatiga que puede alcanzar hasta 4 millones de ciclos (resistencia a la corrosión en fatiga).
[0012] Además de estas propiedades de uso de los alambres, se buscan también buenas propiedades mecánicas y, en particular, una resistencia mecánica a la ruptura Rm comprendida entre de 900 y 1.300 MPa y una ductilidad A superior o igual al 10% para facilitar las operaciones de conformación.
[0013] Para este fin, la invención se define en las reivindicaciones adjuntas.
[0014] El contenido de carbono está comprendido entre el 0,2 y el 0,6% en peso. El bajo valor permite garantizar la obtención de una dureza suficiente en la salida de tratamiento térmico. El contenido máximo está limitado al 0,6% para mantener suficientemente la ductilidad necesaria para la conformación en frío durante la fabricación del alambre.
[0015] El contenido de manganeso está comprendido entre el 0,5 y el 1,0% en peso. El bajo valor permite garantizar la obtención de la microestructura mayoritariamente bainítica que se busca. El contenido máximo está limitado al 1,0% para evitar la formación de fases poco deformables como la martensita.
[0016] El contenido de silicio está comprendido entre el 0,1 y el 0,5% en peso. El bajo valor, en relación con el bajo valor de cromo, permite garantizar la obtención de la microestructura que persigue la invención en toda la sección de la película de conformación. El contenido máximo está limitado al 0,5% para no formar tampoco martensita durante el tratamiento térmico, ya que esta fase después ya no es deformable.
[0017] El contenido de cromo está comprendido entre el 0,2 y el 1,0% en peso. El bajo valor, en relación con el bajo valor de silicio, permite garantizar la obtención de la microestructura que persigue la invención en toda la sección de la película de conformación. El contenido máximo está limitado al 1,0% para no formar martensita durante el tratamiento térmico.
[0018] El contenido de fósforo está limitado al 0,020% en peso con el fin de limitar las segregaciones perjudiciales para la resistencia a la fragilización por hidrógeno y frente a la resistencia a la fatiga.
[0019] El contenido de azufre está limitado al 0,015% en peso para limitar la presencia de inclusiones perjudiciales frente a la resistencia a la fatiga y de la fragilización por hidrógeno.
[0020] El contenido de nitrógeno está limitado al 0,010% en peso para limitar la presencia de nitruros perjudiciales frente a la resistencia a la fatiga.
[0021] La clase puede comprender también hasta el 0,07% de AI, hasta el 0,2% de Ni, hasta el 0,1% de Mo y hasta el 0,1% de Cu. Se limita la presencia de estos elementos ya que son fuente de comportamientos de dispersión durante el tratamiento térmico.
[0022] Otro elemento esencial de los alambres según la invención es que la microestructura del acero que los constituye comprende bainita. Además, puede comprender ferrita acicular hasta una proporción del 35% en superficie. También puede estar presente perlita, en general laminar, hasta el 15% en superficie, preferentemente hasta el 10% en superficie y de forma preferida más en particular, está totalmente ausente de la microestructura, ya que no se busca su presencia.
[0023] Por tanto, la microestructura que se pretende puede ser bainítica o bainito-ferrítica, siendo la suma de las fases de bainita y de ferrita acicular superior al 50% en superficie, preferentemente superior al 70% en superficie y de forma preferida más en particular superior al 90% en superficie, e incluso igual al 100% en superficie.
[0024] Además de la perlita cuya proporción es limitada, se busca también evitar la presencia de martensita que no permitiría fabricar un alambre según la invención.
[0025] Los alambres laminados en frío según la invención (a veces llamados alambre de forma) pueden adoptar cualquier sección adaptada para su uso final. En particular, pueden presentar una sección recta redonda, obtenida generalmente, por ejemplo, por simple trefilado a partir de un alambrón de mayor diámetro.
[0026] También pueden tener una sección rectangular o plana o perfilada en U, en Z, en T, etc., lo que en general obligaría a combinar una operación de trefilado y una operación de laminado. Estas últimas secciones, de forma más compleja permiten que los alambres se encastren en los bordes unos en otros, o que encajen para formar constituyentes de armadura articuladas.
[0027] Más en particular están destinados a la extracción petrolífera "en alta mar" para constituir el alambre de armadura, de abrazadera o de bóveda que entra en la estructura de las tuberías y otras canalizaciones flexibles. Los alambres laminados en frío de acero discurren en las tuberías entre dos capas de polímeros extrudidos, en una zona denominada "anular".
[0028] Los alambres según la invención podrían fabricarse mediante cualquier procedimiento adaptado que permita obtener las características de uso buscadas. No obstante, se buscará poner en marcha un procedimiento según las reivindicaciones adjuntas.
[0029] La operación de relajación de tensiones permite en particular mejorar la resistencia a la fragilización por hidrógeno del alambre.
[0030] Para ilustrar mejor la invención, se realizaron ensayos a modo indicativo y no limitativo.
Ensayos
[0031] Los ensayos realizados para evaluar los rendimientos de los alambres según la invención se realizaron en las condiciones siguientes:
Fragilización por hidrógeno (ensayo HIC & SSCC - normas NACE TM0177 y NACE TM0284)
[0032] Los alambres de acero se sumergen en una solución acuosa que tiene un pH de 4,1 y se somete esta a barboteo de un gas que contiene CO2 y 5 mbar de H2S, bajo una tensión de 650 MPa. El ensayo dura 30 días al cabo de los cuales se examinan los alambres por ultrasonidos para verificar la presencia posible de fisuras internas. Resistencia a la fatiga en medio corrosivo
[0033] Los alambres de acero se sumergen en una solución acuosa que tiene un pH de 5 y que se somete al barboteo de un gas que contiene CO2 y hasta 5 mbar de H2S bajo una tensión alterna en flexión de 100 MPa a 500 MPa. El ensayo se interrumpe cuando el alambre se rompe, y entonces se anota el número de millones de ciclos alcanzados.
[0034] En primer lugar, se elabora una serie de clases cuya composición química, en % en peso, se detalla en la tabla 1:
T l 1
Figure imgf000004_0001
[0035] Para las clases 1 a 3, se fabrican a continuación de forma clásica alambrones redondos laminados en caliente de 15 mm de diámetro que se enrollan en bobina. En una segunda etapa, seguidamente se somete a austenización el alambre previamente devanado a 1.000°C en un horno de gas durante 6 minutos.
[0036] A continuación, se realiza un templado isotermo en un baño de plomo fundido durante 5 minutos a 500°C para las clases 1 y 2 y a 410°C para la clase 3, y después se enfría en agua de forma que se confiera una estructura ferrito/bainítica a los alambres. La figura 1 presenta una imagen micrográfica que muestra los diferentes constituyentes de la microestructura obtenida con la clase 1 (bainita, ferrita acicular y perlita laminar) y que incluye menos del 35% de ferrita acicular y menos del 15% de perlita. La figura 2 presenta una imagen micrográfica que muestra los diferentes constituyentes de la microestructura obtenida con la clase 3 que incluye el 70% de bainita y el 30% de ferrita acicular y de perlita laminar.
[0037] A continuación, los alambres se someten a trefilado con una reducción de sección del 30% para producir un alambre redondo de diámetro 12,54 mm y después a laminado en frío con una reducción de grosor del 50% para producir un alambre plano cuya sección es de 16 mm x 6,3 mm. La tasa de endurecimiento global que corresponde al porcentaje de reducción de sección después de dos operaciones en frío es en este caso del 57%. A continuación, se someten los alambres a un tratamiento de relajación de tensiones a una temperatura de 600°C durante 30 segundos.
[0038] A continuación, se someten a los ensayos de evaluación de sus propiedades de uso, cuyos resultados se resumen en la tabla 2:
Tabla 2
Figure imgf000005_0001
[0039] Naturalmente, la invención no se limita a los ejemplos descritos, sino que se extiende a múltiples variantes y equivalentes.

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Alambre laminado en frío de acero, caracterizado porque presenta la composición química siguiente, expresada en porcentajes en peso,
0,2 < C % < 0,6
0,5 < Mn % < 1,0
0,1 < Si < 0,5 %
0,2 < Cr < 1,0%
P < 0,020%
S < 0,015%
N < 0,010%
y opcionalmente no más del 0,07% de AI, no más del 0,2% de Ni, no más del 0,1% de Mo y no más del 0,1% de Cu, siendo el resto hierro y las inevitables impurezas que provienen de la elaboración, presentando dicho alambre una microestructura que comprende bainita y, opcionalmente, hasta el 35% de ferrita acicular y hasta el 15% de perlita, de manera que la suma de las fases de bainita y de ferrita acicular es superior al 50%, cuya resistencia mecánica a la ruptura Rm está comprendida entre 900 y 1.300 MPa y cuya ductilidad A es superior o igual al 10%.
2. Procedimiento de fabricación de un alambre laminado en frío según la reivindicación 1 que comprende las etapas que consisten en:
a. suministrar un alambrón de acero laminado en caliente cuyo diámetro es superior o igual a 10 mm, b. someter dicho alambrón a un tratamiento térmico de austenización a una temperatura superior a 950°C, después c. enfriar dicho alambrón mediante un templado isotermo a una temperatura comprendida entre 350 y 600°C con el fin de obtener una estructura que comprende al menos el 50% de bainita y, opcionalmente, hasta el 35% de ferrita acicular y hasta el 15% de perlita, y después terminar el enfriamiento hasta temperatura ambiente a una velocidad de enfriamiento comprendida entre 30°C/s y 100°C/s,
d. someter dicho alambrón enfriado a una operación de transformación mecánica en frío llevada a cabo con una tasa de endurecimiento global comprendida entre el 40 y el 90%, con el fin de obtener una resistencia mecánica a la tracción Rm de al menos 800 MPa y después
e. someterlo a un posible tratamiento térmico de relajación de tensiones.
3. Procedimiento de fabricación según la reivindicación 2, en el que dicho tratamiento térmico de austenización experimentado por el alambrón se realiza en modo continuo, en un horno de gas o en un horno de inducción en el alambre previamente devanado.
4. Procedimiento de fabricación según cualquiera de las reivindicaciones 2 o 3, en el que dicho tratamiento térmico de austenización se realiza durante un tiempo de 2 a 10 minutos.
5. Procedimiento de fabricación según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en el que dicho enfriamiento del alambrón se efectúa por templado isotermo en un baño de fusión a base de plomo o de sales, estando el tiempo de inmersión comprendido entre 1 y 10 min, seguido de un enfriamiento con agua.
6. Canalización flexible para el sector de extracción de hidrocarburos que comprende al menos un alambre laminado en frío según la reivindicación 1 u obtenido por el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5.
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