¿Qué es el tratamiento térmico de tuberías y por qué es importante?
El tratamiento térmico es un proceso controlado que consiste en calentar una tubería de acero a una temperatura específica, mantenerla a esa temperatura durante un tiempo específico y luego enfriarla a una velocidad controlada. El propósito es alterar la microestructura del acero, cambiando así sus propiedades mecánicas - resistencia, dureza, tenacidad y ductilidad. El tratamiento térmico es esencial para lograr las propiedades especificadas requeridas por normas como ASTM, API y EN. Sin un tratamiento térmico adecuado, es posible que las tuberías de acero no cumplan con los requisitos mínimos de límite elástico, que carezcan de dureza para un servicio a baja-temperatura o que tengan una dureza excesiva que provoque grietas o fallas inducidas por hidrógeno-.
La necesidad de tratamiento térmico surge en diferentes etapas de la producción de tubos. Después del laminado en caliente o el estirado en frío, la microestructura-así formada suele ser no-uniforme y puede contener fases indeseables. El tratamiento térmico homogeneiza la estructura y alivia las tensiones internas. Después de soldar, la zona-afectada por el calor (HAZ) puede tener una microestructura endurecida o quebradiza que requiere un tratamiento térmico post-soldadura (PWHT) para restaurar las propiedades. Estándares como A106 Gr.B requieren la condición normalizada para ciertos tamaños, mientras que API 5L X60 y superiores generalmente requieren enfriamiento y revenido (Q&T) para grados de alta-resistencia.
Normalizando
La normalización implica calentar la tubería a una temperatura de aproximadamente 30-50 grados por encima de la temperatura de transformación Ac3 (la temperatura a la que la ferrita se transforma completamente en austenita), mantenerla para asegurar una austenitización completa y luego enfriarla en aire en calma. Para el acero al carbono (A106 Gr.B), la temperatura de normalización suele ser de 870-930 grados. El lento enfriamiento del aire produce una fina microestructura de perlita-ferrita con un tamaño de grano uniforme. La normalización refina la estructura del grano laminado, homogeneiza la composición química y mejora la tenacidad en comparación con la condición laminado.
Las tuberías que comúnmente requieren normalización incluyen A106 Gr.B (condición de entrega estándar para tamaños con espesor de pared > 19 mm), tubería de baja-temperatura A333 Gr.6 (la normalización garantiza la estructura de grano fino necesaria para la resistencia al impacto a baja-temperatura) y muchos grados de acero al carbono para servicio de presión general. El proceso de normalización también mejora la maquinabilidad al crear una microestructura uniforme y relativamente suave. Después de la normalización, la tubería tiene propiedades mecánicas consistentes a lo largo de su longitud y circunferencia, lo cual es esencial para un rendimiento predecible bajo presión.
Temple
El enfriamiento implica calentar la tubería a la temperatura de austenitización (generalmente 850-950 grados para acero al carbono, 1040-1080 grados para acero de aleación P91/P92) y luego enfriar rápidamente en un medio de enfriamiento - agua, aceite o solución de polímero. El rápido enfriamiento suprime la transformación controlada por difusión en perlita y, en cambio, promueve la formación de martensita, una microestructura dura y de alta resistencia. La velocidad de enfriamiento debe exceder la velocidad de enfriamiento crítica para la composición de acero específica para lograr la transformación completa de martensita. El enfriamiento con agua proporciona la velocidad de enfriamiento más rápida pero puede causar distorsión o agrietamiento. El enfriamiento con aceite y polímero ofrece un enfriamiento más lento y controlado con un riesgo reducido de agrietamiento.
Las tuberías que requieren enfriamiento incluyen grados API 5L de alta-resistencia (X60 a X80), donde se deben alcanzar límites elásticos mínimos de 4145552 MPa, y grados API 5CT para carcasas y tuberías (N80, L80, P110) para servicio de pozos petroleros. La elección del medio de enfriamiento depende de la composición del acero y la geometría de la tubería. Para tuberías de pared gruesa-, puede ser necesario enfriar con agua para lograr una velocidad de enfriamiento suficiente en el centro de la pared, mientras que las tuberías de pared delgada pueden usar aceite o polímero para reducir el riesgo de distorsión.
Templado
El templado se realiza inmediatamente después del enfriamiento e implica recalentar la tubería a una temperatura inferior a la temperatura de transformación Ac1 (normalmente entre 500 y 750 grados, según el grado), mantenerla durante un tiempo específico y luego enfriarla. El templado alivia las tensiones internas creadas durante el enfriamiento, reduce la dureza a un nivel específico y mejora la tenacidad al permitir la descomposición parcial de la martensita en martensita templada. Sin revenido, la tubería templada sería demasiado frágil para el servicio y sería susceptible de agrietarse bajo presión o impacto.
El templado a baja-temperatura (150-300 grados) proporciona una reducción mínima de la dureza y al mismo tiempo mantiene una alta resistencia, y se utiliza para algunos grados de alta-resistencia. El templado a alta-temperatura (600-750 grados) reduce significativamente la dureza pero mejora en gran medida la tenacidad, y se utiliza para grados que requieren un equilibrio entre resistencia y tenacidad, como API 5L X65/X70. La combinación de enfriamiento seguido de revenido (Q&T) es un proceso estándar para grados de tuberías de alta resistencia, que proporciona propiedades mecánicas significativamente mejores que las que se pueden lograr mediante la normalización únicamente.
Recocido
El recocido completo implica calentar hasta el rango de austenitización, enfriamiento lento en el horno para producir una estructura de perlita gruesa y enfriamiento hasta temperatura ambiente. El recocido completo produce la condición de menor resistencia y mayor ductilidad. Rara vez se utiliza para la producción de tuberías estándar, pero se puede aplicar para operaciones de conformado severas o para aliviar tensiones en componentes fabricados complejos. El recocido con alivio de tensiones (también llamado recocido de proceso) se realiza a 550-650 grados para el acero al carbono, por debajo de la temperatura de transformación, para aliviar las tensiones residuales del estirado o conformado en frío sin afectar significativamente las propiedades mecánicas. El recocido esferoidal (mantenimiento prolongado justo por debajo de Ac1) transforma las plaquetas de carburo en partículas esferoidales, lo que mejora en gran medida la maquinabilidad de tuberías que requieren un mecanizado extenso. El recocido también se utiliza para tuberías de precisión (estiradas en frío) después de la operación de estirado en frío para restaurar la ductilidad y aliviar el endurecimiento por trabajo; consulte nuestraGuía de tuberías de precisión versus estándar.
Tabla comparativa de tratamientos térmicos
| Proceso | Temperatura de calentamiento | Método de enfriamiento | Microestructura | Fortaleza | Tenacidad |
|---|---|---|---|---|---|
| Normalizando | Licenciatura3 + 30-50 | aire quieto | Perlita fina + ferrita | Medio | Bien |
| Temple | Licenciatura3 + 30-50 | Agua/Aceite/Polímero | martensita | muy alto | Bajo (según-apagado) |
| Templado | Por debajo de Ac1 (500-750 grados) | Aire o horno | martensita templada | Alto-Medio | Excelente |
| Recocido completo | Licenciatura3 + 30-50 | horno de enfriamiento lento | perlita gruesa | Bajo | Moderado |
| Alivio del estrés | 550-650 grados | enfriamiento lento | Sin cambios | Sin cambios | Mejorado |
Tratamiento térmico por material
Las tuberías de acero al carbono (A106 Gr.B) generalmente se suministran en condiciones normalizadas para tamaños que requieren tratamiento térmico, o en condiciones-laminadas para tamaños de paredes delgadas-más pequeñas. La tubería API 5L se puede suministrar en condiciones normalizadas, laminadas normalizadas o Q&T, según el grado y el espesor de la pared. Los grados más altos (X60 y superiores) generalmente requieren Q&T o procesamiento controlado termomecánico (TMCP). Los tubos de acero aleado (A335 P11, P22, P91) siempre se suministran en condiciones normalizadas y templadas. P91 requiere un control preciso de la temperatura de normalización (1040-1080 grados) y del templado (730-780 grados) para desarrollar la estructura de martensita templada optimizada con finos precipitados de carbonitruro de vanadio-niobio que proporcionan su excepcional resistencia a la fluencia. Las tuberías de acero inoxidable (304/316) requieren un recocido en solución a 1010-1120 grados seguido de un enfriamiento rápido (enfriamiento rápido con agua o enfriamiento rápido con aire) para evitar la precipitación de carburo de cromo que reduciría la resistencia a la corrosión.
Equipos y control de tratamiento térmico
Se utilizan dos tipos principales de hornos para el tratamiento térmico de tuberías: hornos de solera de rodillos continuos (para producción de alto-volumen de tamaños estándar) y hornos de fondo de carro- por lotes (para tuberías de gran-diámetro, paredes gruesas- o aleaciones especiales). La uniformidad de la temperatura es fundamental: el horno debe mantener la temperatura dentro de ±10 grados del punto de ajuste en toda la zona de trabajo. Los hornos modernos utilizan múltiples termopares conectados a sistemas de control automatizados que registran curvas de tiempo-temperatura para cada ciclo de tratamiento térmico. Estos registros brindan trazabilidad para demostrar que cada tubería o lote recibió el tratamiento térmico especificado. Después del tratamiento térmico, es posible que sea necesario enderezar las tuberías para corregir la distorsión. Por lo general, esto se hace en una plancha de alisado de 7-rollos o de 9 rollos cruzados, seguido de una prueba de dureza para verificar que el tratamiento térmico haya sido efectivo.
Defectos del tratamiento térmico
Un tratamiento térmico inadecuado puede introducir defectos. El sobrecalentamiento o quema ocurre cuando la temperatura excede el máximo recomendado, provocando el engrosamiento del grano y una incipiente fusión en los límites del grano. La descarburación es la pérdida de carbono de la capa superficial, formando una capa suave y baja en carbono que reduce la resistencia a la fatiga. Las grietas por enfriamiento resultan de un enfriamiento excesivamente rápido o de concentraciones de tensión geométrica, más comunes en tuberías de pared gruesa- o de sección compleja-. La falta de uniformidad de la dureza puede deberse a una temperatura desigual del horno, a un enfriamiento no uniforme o a variaciones en la composición química dentro del calor. Estos defectos pueden detectarse mediante pruebas de dureza, exámenes metalográficos y métodos de END de superficie.
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