QUINTANILLA CARMONA HECTOR MANUEL (MX)
IZQUIERDO GARCIA ALFONSO (MX)
QUINTANILLA CARMONA HECTOR MAN (MX)
WO2007017161A1 | 2007-02-15 | |||
WO1998053110A1 | 1998-11-26 | |||
WO2003033856A1 | 2003-04-24 | |||
WO2007013503A1 | 2007-02-01 |
US2289271A | 1942-07-07 |
REIVINDICACIONES
1.- Una tubería de acero sin costura para un elevador catenario de acero con extremos de recalcadura, comprendiendo en porcentaje en peso, carbono 0.04-0.10, manganeso 0.40-0.70, silicio 0.15-0.35, cromo 0.40-0.70, molibdeno 0.40- 0.70, níquel 0.10-0.40, nitrógeno 0.008 máx., aluminio 0.010-0.045, azufre 0.005 máx., fósforo 0.020 máx., titanio 0.003-0.020, niobio 0.020-0.035, vanadio no más de 0.10, cobre 0.20 máx., estaño 0.020 máx., y equivalente de carbono 0.43 máx. y PCM de no más de 0.23 y teniendo un límite elástico de por Io menos 4569.5 kg/cm 2 , Ia resistencia a Ia tracción final de por lo menos 5413.1 kg/cm 2 y una relación de YS/UTS por abajo de 0.89 en el material representando el cuerpo de tubería, Ia zona de transición y el extremo de recalcadura. 2.- La tubería de acero sin costura de acuerdo con Ia reivindicación 1, en donde Ia microestructura del material así extinguido y revenido es homogénea en Ia pared media, Ia cual es Ia sección más crítica y es principalmente bainita y una mezcla de ferrita acicular y no poligonal independientemente de Ia sección: zonas de cuerpo de tubería, transición o extremo de recalcadura.
3.- La tubería de acero sin costura de acuerdo con Ia reivindicación 1, en donde el tamaño de grano austenítico anterior tiene un tamaño promedio de al menos 7 ASTM tanto en el cuerpo de tubería como en los extremos de recalcadura. 4.- La tubería de acero sin costura de acuerdo con Ia reivindicación 1, en donde el material en Ia condición así extinguida y revenida tiene un valor de Dureza Vickers HV10 por abajo de 250 tanto en el cuerpo de tubería como los extremos de recalcadura.
5.- La tubería de acero sin costura de acuerdo con Ia reivindicación 1, en donde los materiales del cuerpo de tubería y los extremos de recalcadura tienen un valor individual de energía absorbida por arriba de 70 Joules, y 90 Joules promedio de tres especímenes y Ia temperatura de transición en Ia dirección transversal está por abajo de -50 0 C. 6.- La tubería de acero sin costura de acuerdo con Ia reivindicación 1, en donde los materiales del cuerpo de tubería y los extremos de recalcadura exceden en por Io menos 2 veces el valor individual mínimo de 0.51 mm, requerido de Ia prueba de desplazamiento de abertura de punta de grieta (prueba de CTOD). 7.- La tubería de acero sin costura de acuerdo con Ia reivindicación 1, Ia cual es soldable en los extremos de recalcadura en una escala de entrada de calor de entre 0.8 KJ/mm y 1.5 KJ/mm, en donde Ia prueba de CTOD utilizando especímenes SENB, Bx2B tomados de Ia zona afectada por calor que corre a -1O 0 C como por API RP2Z, dio resultados de CTOD por arriba de 0.6 mm.
8.- La tubería de acero sin costura de acuerdo con Ia reivindicación 7, Ia cual es soldable en los extremos de recalcadura en una entrada de calor de entre 0.8 KJ/mm y 3.0 KJ/mm y Ia dureza en Ia zona afectada por calor es menor que 250 HV10. 9.- La tubería de acero sin costura de acuerdo con Ia reivindicación 7, Ia cual es soldable en los extremos de recalcadura en u na entrada de calor de entre 0.8 KJ/m m y 3.0 KJ/mm y los valores de energía absorbida evaluados en Ia línea de fusión + 1 mm en Ia zona afectada por calor están por arriba de 100 Joules. 10. - La tubería de acero sin costura de acuerdo con Ia reivindicación 1 , Ia cual es soldable en los extremos de recalcad ura en una escala de entrada de calor de entre 0.8 KJ/mm y 3.0 KJ/m m , en donde Ia prueba de CTOD utilizando especímenes S EN B, Bx2B tomados del eje del metal de soldadura que corre a -10°C dio valores de CTOD por arriba de 0.6 mm .
1 1 .- Un método para fabricar un tubo de acero sin costura para un elevador catenario de acero con extremos de recalcadura teniendo un l ímite elástico de por Io menos 4569.5 kg/cm 2 tanto en el cuerpo de tubería, transición y zona de recalcadura, que com prende los pasos de: (a) proporcionar una tubería de acero que com prende en porcentaje en peso, carbono 0.04-0.10, manganeso 0.40-0.70, silicio 0.1 5-0.35, cromo 0.40-0.70, molibdeno 0.40- 0.70, n íq uel 0.10- 0.40, nitrógeno 0.008 máx. , alúmina 0.010-0.045, azufre 0.005 máx. , fósforo 0.020 máx. , titanio 0.003-0.020, niobio 0.020-0.035 , vanadio no más de 0.10, cobre 0.20 máx. , estaño 0.020 máx. , y equivalente de carbono 0.43 máx. y PCM no más de 0.23; (b) recalcar los extremos de Ia tubería en múltiples pasos con ciclos de calentam iento intermedios para obtener el espesor requerido; (c) extingui r y revenir entre 630-710 0 C; (d) maquinar los extremos de recalcadura.
12.- El método para fabricar una tubería de acero sin costura de acuerdo con Ia reivindicación 1 1 , en donde las tuberías se enrollaron por calor utilizando un esquema de enrollamiento controlado por recristalización, fabricadas a partir de palanquillas redondas obtenidas mediante un procedimiento de colado continuo (CC) .
13.- El método para fabricar una tubería de acero sin costura de acuerdo con Ia reivindicación 1 1 , en donde las tuberías fueron recalcadas recalentando los extremos de tubería por arriba de Ia tem peratura de disolución de Nb (C, N) para proporcionar un flujo plástico adecuado durante cada operación de recalcado mientras se controla el tamaño de grano de Ia austenita a través de Ia precipitación de partículas finas de TiN.
14.- Una cadena de tubería para usarse como un elevador catenario de acero para un am biente de servicio sin medios ácidos utilizando las tuberías de acuerdo con Ia reivindicación 1 , en donde las tuberías están soldadas en los extremos de recalcadura .
15.- Una cadena de tubería para usarse como un elevador catenario de acero para un ambiente de servicio en medios ácidos utilizando las tuberías de acuerdo con Ia reivindicación 1 , en donde las tu berías están soldadas en los extremos de recalcadura. |
TUBERíA DE ACERO SIN COSTURA PARA USARSE COMO UN ELEVADOR CATENARIO DE ACERO EN EL AREA DE CONTACTO
CAMPO DE LA INVENCIóN
Esta invención se refiere a tubos de acero sin costura para usarse como un elevador catenario de acero.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN
En años recientes, el interés en explotar campos petrol íferos en mar abierto de aguas muy profundas se ha incrementado sensiblemente. Como una consecuencia, se han desarrollado varias soluciones de sistemas de producción marinos. Las soluciones actualmente disponibles se dirigen en general a sistemas de producción semi-flotantes y flotantes, los cuales son sometidos a varios movimientos con respecto al fondo del mar, principalmente debido a olas marinas, corrientes y fenómenos de marea. Los sistemas antes mencionados son completados por sistemas elevadores condescendientes compatibles con estaciones de superficie móviles.
Los Elevadores Catenarios de Acero (SCR, según siglas en inglés) representan uno de los sistemas elevadores más im portantes que serán adoptados es estas situaciones de reto. Dicho componente es normalmente sometido a espectros complejos de carga de fatiga
relacionados tanto con Ia movilidad de Ia plataforma flotante como con Ia extensión grande libre de l ínea libre desde el fondo del mar hacia Ia superficie. Como una consecuencia, una gran preocupación en el diseño de un SCR está relacionada con Ia resistencia a Ia fatiga. Ya que Ia carga cíclica es predominantemente en Ia di rección axial , di rectamente somete a esfuerzo las uniones soldadas entre tuberías empalmadas. Dichas uniones en general representan el punto más débil con respecto a Ia resistencia a Ia fatiga, y Ia vida de diseño de todo el elevador se determina por Ia capacidad de este componente a resistir Ia carga de fatiga.
El Elevador Catenario de Acero es una solución de sistema elevador probado y económico, como un elevador de producción de unión y como un elevador exportador de los Sistemas de Producción Flotante (FPS , según sus siglas en inglés) en el desarrollo cam pos de petróleo y gas en agua profunda y agua ultra-profunda. La aplicación de los SCRs se ve atacada por, en algunos casos, el daño de alta fatiga en el área de Contacto (TDZ, según sus siglas en inglés) a partir de una combinación de parámetros específicos de cam po tales como el tamaño del elevador, características del fluido, movimientos de recipiente, parámetros Metocean
(meteoceanológicos), condiciones del suelo, y profundidad del agua.
El requerimiento de diseño más severo para los SCRs es Ia vida de fatiga de las soldaduras circunferenciales en Ia región del área de Contacto (TDZ), en donde el elevador hace contacto con el suelo del mar y se conecta con el resto de Ia tubería, como se il ustra
en la Figura 1 . En esta área, el elevador experimenta el nivel más alto de daño de fatiga acumulativa. Esto se debe al hecho de que en dicha área, se experimenta Ia flexión más alta de Ia línea catenaria, contrario a Ia ausencia total de flexión de Ia porción de Ia línea que yace en el suelo del mar. Debido a los varios movimientos del FPS (olas, mareas, corrientes, etc.), el segmento de línea en Ia TDZ experimenta ciclos de flexión entre Ia flexión máxima del elevador y Ia flexión de cero (recta). La severidad de carga de fatiga en Ia TDZ se complica más por Ia presencia de impactos continuos de Ia porción de Ia línea cuando entra en contacto con Ia tierra. Además, se debe considerar que el mismo im pacto de Ia línea puede excavar un agujero justo en correspondencia de Ia TDZ, amplificando Ia amplitud del ciclo de flexión.
En otras palabras, el movimiento constante por el recipiente flotante superior da como resultado una trituración cíclica para el elevador contra el suelo del mar que, si no está apropiadamente diseñado, pude dar como resultado una rotura por fatiga. Además del movim iento del elevador, otros factores que pueden incrementar Ia severidad de Ia fatiga de Ia TDZ incluyen un diámetro grande de Ia tubería, profundidad de agua profunda, altas corrientes, y servicio en medios ácidos (degradación por corrosión).
Varias posibles soluciones para Ia mejora de Ia vida de fatiga en Ia TDZ del SCR han sido aconsejadas y estudiadas. Los SCRs son utilizados como sistemas elevadores en proyectos semi- sumergibles en funcionamiento.
Se han aconsejado opciones alternativas para obtener un incremento en Ia vida de fatiga en Ia TDZ en los desarrollos de campo de agua profunda, para permitir el uso de SRC. Estas soluciones incluyen: maquinación ID para un mejor montaje y el uso de técnicas de soldadura mejoradas; el uso de extremos forjados gruesos soldados hacia Ia costa para asegurar un mejor montaje y para reducir el Factor de Concentración de Esfuerzos (SCF, según sus siglas en inglés); el movimiento periódico del recipiente flotante para distribuir daño por fatiga a través de Ia longitud más larga en Ia TDZ; y el uso de acero chapeado.
El procedimiento de recalcado es comúnmente utilizado en Ia industria para cubierta y uniones de elevador con extremos roscados. Normalmente se utilizan grados de acero con un contenido más alto de carbón para estas aplicaciones. El procedimiento de recalcado no ha sido utilizado hasta ahora para tubería soldable de calidad de SCR. En Ia mayoría de los casos roscados, sin embargo, el incremento en Ia vida de fatiga ha sido limitado a un factor de entre 2 a 3. En el caso de aplicaciones de acero chapeado, se puede obtener un incremento superior en Ia vida de fatiga. Además, el diseño de elevador catenario alternativo ha sido desarrollado cambiando el material de tubo de elevador (material compuesto, titanio) o a través de diseños híbridos (titanio o acero), o cambiando Ia forma cerca del fondo del mar a través de Ia provisión de flotabilidad significativa (WO 97/06341). Los diseños alternativos se han enfocado en Ia mejora de Ia
resistencia del elevador catenario cerca y por arriba del fondo del mar, permitiendo así su uso en aplicaciones de am biente más rudo y de más reto.
De esta manera, existe Ia necesidad de mejorar un diseño de Elevadores Catenarios de Acero convencionales para el área de Contacto (SCR TDZ) para obtener un incremento significativo en Ia vida de fatiga, particularmente, incrementando Ia vida de fatiga en SCR TDZ por arriba de 3 bajo ambientes de servicio en medios ácidos y no ácidos con una tubería que consiste de tres regiones: cuerpo de tubería, zona de transición y extremo de recalcadura, como se ilustra en Ia Figura 2.
Para lograr esta necesidad, se han desarrollado tuberías de recalcadura en uniones soldadas. El simple concepto para el funcionamiento mejorado de fatiga consiste, en este caso, en red ucir (ocalmente Ia tensión experimentada por Ia soldadura con respecto a Ia escala de tensión generalmente experimentada por el cuerpo de tubería y, por Io tanto, Ia sección del elevador en Ia TDZ. UN SCR de recalcadura de una composición química con un bajo contenido de carbono y microestructura de esta manera se aconsejó para obtener una mejora superior en Ia vida de fatiga ya que está comprendido con Ia sección de tubería de elevador.
La confiabilidad de fabricación de Elevador de extremo de recalcadura gruesa para el área de Contacto con resistencia a Ia fatiga mejorada varía, sin embargo, con el grado del acero que puede ser soldado para aplicaciones en mar abierto. La confiabilidad para
fabricar un Elevador de extremo grueso para el área de Contacto con resistencia a Ia fatiga mejorada es Ia clave para asegurar que el SCR de recalcadura tiene un valor práctico en Ia aplicación en Ia TDZ.
Varias soluciones del Elevador Catenario de Acero (SCR) han incl uido requerimientos moderados de servicio en medios ácidos. El Servicio en Medios ácidos es el funcionam iento del Elevador en am bientes de H 2 S. Las propiedades metalúrgicas conocidos para efectuar el funcionamiento en ambientes que contienen H 2 S incluyen: Composición química, limpieza de acero, método de fabricación , resistencia, cantidad de trabajo en frío, condiciones de tratamiento con calor y microestructura. Ya que el procedimiento de fabricación de tubería de recalcadura invol ucra pasos adicionales subsecuentes a Ia fabricación de Ia tubería sin costura, el producto extremo tiene que lograr estos requerimientos.
BREVE DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN
La presente invención describe un SCR de recalcadura de una composición química con un bajo contenido de carbono novedoso y microestructura que logra una mejora superior en Ia vida de fatiga ya que es integral con Ia sección de tubería de elevador en el área de Contacto. El SCR de recalcadura con un bajo contenido de carbono logra sus propiedades deseadas a través del tratamiento térmico al cual se somete. La composición qu ímica con u n bajo contenido de carbono novedosa y microestructura comprenden en porcentaje en
peso, carbono 0.04-0.10, manganeso 0.40-0.70, silicio 0.15-0.35, cromo 0.40-0.70, molibdeno 0.40-0.70, níquel 0.10-0.40, nitrógeno 0.008 máx. , aluminio 0.010-0.045, azufre 0.005 máx. , fósforo 0.020 máx. , titanio 0.003-0.020, niobio 0.020-0.035, vanadio no más de 0.1 0, cobre 0.20 máx. , estaño 0.020 máx. , y equivalente de carbono 0.43 máx. y PCM de no más de 0.23 y teniendo un l ímite elástico de al menos 4569.50 kg/cm 2 , resistencia a Ia tracción final de al menos 541 3.10 kg/cm 2 y una relación de YS/UTS por debajo de 0.89 en material representando el cuerpo de tubería, el área de transición y el extremo de recalcad ura.
La presente invención también describe un método para fabricar una tubería de acero sin costura para un elevador catenario de acero con extremos de recalcadura teniendo un límite elástico de al menos 4569.50 kg/cm 2 tanto en el cuerpo de tubería, transición como Ia zona de recalcadura, que comprende los pasos de:
(a) proporcionar una tubería de acero q ue comprende en porcentaje en peso, carbono 0.04-0.10, manganeso 0.40-0.70, silicio 0.15-0.35, cromo 0.40-0.70, molibdeno 0.40- 0.70, níquel 0.10-0.40, nitrógeno 0.008 máx., aluminio 0.010-0.045, azufre 0.005 máx. , fósforo 0.020 máx. , titanio 0.003-0.020, niobio 0.020-0.035, vanadio no más de 0.10, cobre 0.20 máx. , estaño 0.020 máx. , y equivalente de carbono 0.43 máx. y PCM de no más de 0.23;
(b) recalcar los extremos de Ia tubería en m últiples pasos con ciclos de calentamiento intermedios entre ellos para lograr el espesor requerido;
(c) extinguir y templar entre 630-710 0 C; y
(d) maquinar los extremos recalcados.
BREVE DESCRIPCIóN DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 muestra Ia Configuración de Elevador Catenario de Acero de una modalidad preferida de Ia presente invención .
La figura 2 ilustra una modalidad de Ia tubería con un extremo de recalcad ura de u na modalidad preferida de Ia presente i nvención . La Figura 3 muestra macro-secciones típicas de soldaduras
RP2Z para diferentes condiciones d e soldad ura de Ia tubería de una modalidad preferida de Ia presente invención.
Las Figuras 4(a) y (b) m uestran los resultados de Ia prueba a Ia tracción para la dirección longitudinal y dirección transversal de una modalidad preferida de Ia presente i nvención .
La Figura 5 ilustra los resultados de Ia relación Y/T longitudinal y transversal de una modal idad preferida de Ia presente invención .
La Figura 6 muestra Ia Dureza Vickers HV1 0 de una modalidad preferida de Ia presente invención . La Figura 7 ilustra Ia Prueba de Impacto de Entalla Charpy V
Transversal a -3O 0 C d e una modalidad preferida de Ia presente invención.
La Figura 8 m uestra Ia Curva Media para especímenes 1 0 3/4" x 0.866" X65 de una modalidad preferida de Ia presente invención. Las Figuras 9(a) y 9(b) m uestran los resultados de prueba a Ia
tracción para Ia dirección longitudinal y Ia dirección transversal de una modalidad preferida de Ia presente invención.
La Figura 10 ilustra los resultados de Ia relación Y/T longitudinal y transversal de una modalidad preferida de Ia presente invención.
La Figura 1 1 m uestra Ia Dureza Vickers HV10 de una modalidad preferida de Ia presente invención.
La Figura 12 ilustra Ia Prueba de Impacto de Entalla Charpy V Transversal a -3O 0 C de una modalidad preferida de Ia presente invención.
La Figura 13 muestra Ia Curva Media para especímenes 1 0 3/4" x 1 .250" X65 de una modalidad preferida de Ia presente invención .
DESCRtPCION DETALLADA DE LA INVENCIóN
Como se ilustra en Ia Figura 1 , Ia presente invención J describe un SCR de recalcadura de una com posición química con bajo contenido de carbono novedosa y microestructura que logra una mejora superior en Ia vida de fatiga ya que es integral con Ia sección de tubería de elevador en el área de Contacto. El SCR de recalcad ura con bajo contenido de carbono logra sus propiedades deseadas a través de tratamiento término al cual se somete.
El grado de cero contemplado para usarse en el SCR de recalcadura de Ia presente invención es X-65 (un límite elástico de por Io menos 4569.50 kg/cm 2 en el cuerpo de tubería y en los
extremos de recalcadura).
El diseño de aleación consiste de un acero con bajo contenido de C (0.13 máx. ), bajo Mn (1 .5 máx.) con adiciones de elementos de microaleación tales como Niobio, Titanio (Nb+Ti 0.1 máx.) , Cromo y Molibdeno (Cr+Mo 1 .2 máx.). El propósito de agregar estos dos últimos elementos de aleación es incrementar Ia capacidad de end urecimiento y promover una transformación martensítica-bain ítica en los extremos de recalcadura gruesos y cuerpo de tubería logrando una alta resistencia. El equivalente de carbono (CE) está diseñado para no exceder a .43 seg ún requerido por API 5L. Muy preferiblemente, el equivalente de carbono está limitado a 0.41 . La modalidad m uy preferida de Ia presente invención no excede a 0.39.
Las tuberías son enrolladas con calor utilizando un esquema de enrollamiento controlado por recristalización fabricado a partir de palanquillas redondas a través de un procedimiento de colado continuo (CC). Después del enrollado con calor, las tuberías después son inspeccionadas con métodos no destructivos tales como inspección electromagnética, inspección de partícula magnética húmeda y prueba ultrasónica con el propósito de encontrar cualesquiera defectos longitudinales o transversales en las superficies internas o externas y para verificar el espesor de Ia pared . Las tuberías después son recalcadas recalentando los extremos de tubería por arriba de Ia temperatura de disolución del Nb (C, N) para proporcionar un flujo plástico adecuado d urante cada operación de recalcadura mientras se controla el tamaño de grano de
Ia austenita a través de Ia precipitación de partículas finas de TiN . El radio óptimo en Ia transición de cuerpo de tubería recalcada es modelado a través del Análisis de Elemento Finito (FEA), en donde el Factor de Concentración de Tensión (SCF) dio como resultado 1 .1 35 y 1 .12 para el Caso 1 (273.1 mm OD por 22.0 mm WT del cuerpo de tubería, 28 mm WT como los Extremos de recalcadura maquinados y 35 mm como los extremos de recalcadura, grado de acero X65 para aplicación de servicio sin ácidos medios , 10.75" x 0.866") y el Caso 2 (273.1 mm OD por 31 .8 mm WT cuerpo de Tubería, 45 mm WT como Extremos de Recalcadura maquinados y 53 mm como extremos de recalcadura, grado de acero X65 para aplicación de servicio en ácidos medios, 10.75" x 1 .250"), respectivamente. Después de Ia recalcadura de ambos extremos de las tuberías, se diseñó y se utilizó una extinción crítica y tratamiento con calor de revenido para proporcionar las propiedades mecánicas finales. Otra vez se realizó Ia prueba no destructiva en el cuerpo de tubería, y Ia superficie de OD e ID de los extremos de recalcadura se maquinaron y después se inspeccionaron con inspección de partícula magnética húmeda y prueba ultrasónica manual . Finalmente, las tuberías se maquinaron por bisel para soldadura circunferencial. El comportamiento de soldadura y fatiga son concienzudamente caracterizados.
Después del tratamiento de extinción y de calor de revenido, el material después se caracterizó totalmente. El Lím ite Elástico (YS), Ia Resistencia a Ia Tracción Final (UTS ) y Ia relación de YS/UTS a temperatura ambiente se evaluaron utilizando especímenes redondos
tanto longitudinales como transversales tomados de las regiones de Extremo de Recalcadura, Transición de Inclinación y Cuerpo de Tubería en dos cuadrantes, 0 o y 180°.
Las durezas Vickers HV10 se midieron en las secciones de OD (diámetro externo), MW (pared media) e ID (diámetro interno) en 4 cuadrantes se tomaron a partir de las regiones de Extremo de Recalcadura, Transición de I nclinación y Cuerpo de Tubería. Las lecturas de dureza se tomaron a 1 .5 mm desde el OD e ID. Además, se realizó Ia prueba de impacto de entalla Charpy V transversal a -3O 0 C y -4O 0 C para el caso 1 y el caso 2, respectivamente utilizando especímenes de 10x10. La resistencia de servicio en medios ácidos se analizó tanto en el cuerpo de tubería como los extremos de recalcadura a través de las Pruebas de Agrietamiento I nducido por Hidrógeno (HI C) de Flexión de Cuatro Puntas (FPBT). La presente invención de esta manera describe una tubería de acero sin costura para un elevador catenario de acero con extremos de recalcadura que comprende en porcentaje en peso, carbono 0.04- 0.10, manganeso 0.40-0.70, silicio 0.15-0.35, cromo 0.40-0.70, molibdeno 0.40-0.70, níquel 0.10-0.40, nitrógeno 0.008 máx. , aluminio 0.010-0.045, azufre 0.005 máx. , fósforo 0.020 máx. , titanio 0.003-0.020, niobio 0.020-0.035, vanadio no más de 0.10, cobre 0.20 máx. , Estaño 0.020 máx. , y equivalente de carbono 0.43 máx. , y PCM de no más de 0.23 y teniendo un l ímite elástico de por Io menos 4569.50 kg/cm 2 en el material que representa el cuerpo de tubería, Ia zona de transición y el extremo de recalcadura.
La microestructura novedosa del SCR de recalcadura que permite a Ia tubería de acero sin costuras lograr una mejora superior en Ia vida de fatiga incluye las siguientes propiedades mecánicas y requerimientos de corrosión para el SCR de Recalcadura como se muestra en el Cuadro 1 . Los requerimientos m ínimos están después de Ia especificación API 5L, 43 ava ' Edición.
Cuadro 1 - Propiedades mecánicas y requerimientos de corrosión para SCR de Recalcadura
El Curado 2 muestra un resumen de microestructuras observadas. Todas las microestructuras son homogéneas en Ia pared media, Ia cual es Ia sección más crítica en donde principalmente Ia bainita, y una mezcla de ferrita acicular y no poligonal se observa independiente de Ia sección (cuerpo de tubería, transición o recalcadura). Existe una ligera presencia de martensita cerca de las secciones de OD e ID.
Cuadro 2 - Microestructura de Ia Tubería de Acero Sin Costuras de SCR de Recalcadura
Se desarrolló un diseño de aleación específico y se fijaron parámetros de tratamiento con calor para obtener las características microestructurales deseadas en secciones tanto de cuerpo de tubería como de recalcadura de pared pesada. La combinación de los parámetros antes mencionados da como resultado excelentes propiedades mecánicas, las cuales satisfacen los objetivos de resistencia y corrosión.
La presente invención también describe un método para fabricar una tubería de acero sin costuras para el elevador catenario
de acero con extremos de recalcadura teniendo un límite elástico de al menos 4569.50 kg/cm 2 tanto en el cuerpo de tubería, transición como Ia zona de recalcadura, que comprende los pasos de: (a) proporcionar una tubería de acero que comprende en porcentaje en peso, carbono 0.04-0.10, manganeso 0.40-0.70, silicio 0.15-0.35, cromo 0.40-0.70, molibdeno 0.40- 0.70, níquel 0.10-0.40, nitrógeno 0.008 máx. , aluminio 0.010-0.045, azufre 0.005 máx. , fósforo 0.020 máx. , titanio 0.003-0.020, niobio 0.020-0.035, vanadio no más de 0.10, cobre 0.20 máx. , Estaño 0.020 máx. , y equivalente de carbono" 0.43 máx. , y PCM no más de 0.23; (b) extinguir y revenir de entre 630-710 0 C.
Se utilizan m últiples pasos de ciclos de recalcadura y calentamiento entre cada operación de recalcadura para lograr el espesor requerido en los extremos de recalcadura para cada dimensión (espesor de pared de 35 mm y espesor de pared de 53 mm para el caso 1 y 2 antes mencionado) al final obtenido como los extremos de recalcadura maquinados antes mencionados.
Se realizaron pruebas de soldabilidad y fatiga com pletas para un gran número de tuberías para establecer el rendim iento de Ia fatiga. Estas pruebas se describen a continuación:
Programa de Soldadura
Se evaluaron las propiedades de las tuberías de recalcadura sometidas a diferentes ciclos térmicos ind ucidos por operaciones de soldadura, inicialmente soldando en una tubería con un espesor de
pared de 35 mm con Ia química como los extremos de recalcadura.
Las condiciones se resumen en el Cuadro 3, y han sido aplicadas en una configuración de bisel de soldadura según recomendado en el estándar API RP2Z; Calificación de Pre- producción para Placas de Acero para Estructuras en Mar Abierto [1 ].
Esta preparación de soldadura específica con uno de los biseles a 0 o permite cuantificar Ia tenacidad (impacto y prueba CTOD) de HAZ en condiciones más severas que con el bisel V o U convencional (el agrietamiento por fatiga es colocado en el material de HAZ de grano grueso prescrito para al menos el 15% de los dos tercios centrales del espesor del espécimen).
Cuadro 3 - Condiciones de soldadura API RP2Z
La prueba de soldabilidad requiere de Ia caracterización de HAZ para dos casos sometidos a diferentes combinaciones de calor utilizando un bisel API PR2Z: Cuantificación de Pre-producción para Placas de Acero para Estructuras en Mar Abierto [8] , Todas las pruebas pasaron o excedieron los requerimientos incluyendo dureza HV10 por abajo de 250 para el caso de servicio en medios ácidos
(Caso 2).
La caracterización HAZ ha sido corrida en ambas tuberías de recalcadura con un espesor de 28 mm y 45 mm en los extremos de recalcadura, con las condiciones de soldadura listadas en el Cuadro 4. Los consumibles y entrada de calor utilizados son:
STT de Lincoln para el paso de raíz, entrada de calor 0.55-0.75 kJ/mm ,
P-GMAW para pasos de llenado y cobertura con entrada de calor 0.6 kJ/mm, - SAW para pasos de llenado y cobertura con entrada de calor igual o mayor que 0.8 kJ/mm .
Cuadro 4 - Condiciones de soldadura API RP2Z en ambas tuberías de recalcadura X65
Caracterización de HAZ: prueba y resultados
Dureza: En Ia tubería con un espesor de 35 mm , las indentaciones de dureza en HAZ están localizadas en líneas paralelas al cuerpo de tubería, a 1.5 mm desde el diámetro interno y externo de Ia tubería y
cada 4 mm a través del espesor.
Para satisfacer los requerimientos de 250 Hv10 máximo en HAZ
(desde Ia raíz hasta Ia parte superior) para aplicación de servicio en medios ácidos, las condiciones de soldadura son: - una entrada de calor m ínima de 0.65 kJ/mm com binada con una temperatura de precalentamiento de 200 0 C para paso de raíz, una entrada de calentamiento m ínima de 0.8 kJ/mm combinada con una temperatura entre pasos de 200 0 C para pasos de llenado, - una entrada de calentamiento m ínima de 0.8 kJ/mm combinada con una temperatura entre pasos de 25O 0 C para pasos de cubierta.
Además, para Ia cubierta, Ia última perla no está sobre un lado de un bisel pero está depositada dentro de Ia anchura de Ia preparación de soldadura de manera que cada paso de cubierta en los bordes del bisel obtiene el beneficio de un efecto de revenida de los pasos subsecuentes de cubierta. En los extremos de recalcadura con un espesor de 28 y 45 mm , aplicando las condiciones de soldadura antes mencionadas, Ia dureza en HAZ no excede a 250 HV10.
Las macro-secciones típicas de las soldaduras API RP2Z producidas para dos entradas de calor se muestran en Ia Figura 3.
Estas soldaduras después se probaron para propiedades de dureza y tenacidad (Charpy y CTOD). - Tenacidad:
La prueba de impacto corre a -4O 0 C, de Ia línea de fusión +
1 mm a Ia línea de fusión + 3 mm, en soldaduras que corren sobre una tubería con un espesor de 35 mm y una entrada de calor alta (2 y 3 kJ/mm). La energía adsorbida obtenida está por arriba de 200 J para cada espécimen.
En las soldaduras de extremos de recalcadura, estos valores de energía adsorbida muy altos en HAZ se duplican, sin considerar el espesor de pared y las condiciones de soldadura: valor mínimo logrado 200 J, valor máximo logrado 450 J. Además, Ia prueba CTOD (SENB, especímenes Bx2B) en Haz como por API RP2Z corre a -1O 0 C. Con Ia escala de entrada de calor de 0.8 a 1.5 kJ/mm, Ia cual es típica de soldadura de campo, los valores de CTOD obtenidos son de 1.0 a 1.5 mm, Io cual muestra una excelente ductilidad de HAZ.
Desarrollo de la Especificación de Procedimiento de Soldadura
(WPS)
Con el fin de forzar al agrietamiento por fatiga a iniciar lejos del área de soldadura y así cuantificar mejor Ia resistencia de fatiga del diseño de recalcadura, se desarrolló una especificación de procedimiento de soldadura específico y se utilizó para que las soldaduras sean completamente de fatiga de escala completa: selección de una soldadura consumible con tenacidad muy alta, remoción de raíz soldada y refuerzo de Ia cubierta. La prueba de escala completa muestra un excelente
comportamiento de fatiga de uniones circunferenciales de recalcadura. En ambos casos, los datos corresponden a falla, o descargas, más allá de Ia curva media objetivo para los grupos de pruebas, demostrando que ambas geometrías de recalcadura soldada circunferencial califican como com ponente de clase superior (B 1 en DNV-RP-C203) para resistencia a Ia fatiga. Los resultados de Ia curva media pueden verse en las Figuras 8 y 13 para el caso 1 y caso 2, respectivamente.
EJEMPLOS
Se utilizaron tuberías de acero sin costura de recalcadura de Pared Pesada con las siguientes características:
Caso 1 : cuerpo de tubería 273.1 mm OD por 22.0 mm WT, 28 mm WT como Extremos de Recalcadura maquinados y 35 mm como extremos de recalcadura, grado de acero X65 para aplicación de servicio sin medios ácidos ( 10.75" x 0.866").
Caso 2: cuerpo de tubería de 273.1 mm OD por 31 .8 mm WT, 45 mm WT como Extremos de Recalcadura maquinados y 53 mm como extremos de recalcadura, grado de acero X65 para aplicación de servicio en medios ácidos (10.75" x 1.250").
Caso (1 ) Servicio en Medios ácidos para SCR TDZ de Recalcadura de 10.75" x 0.866" WT X65
Las Figuras 4(a) y 4(b) y 5 muestran el l ímite elástico (YS), Resistencia a Ia Tracción Final (UTS) y Ia relación de YS/UTS
evaluadas a temperatura ambiente para material extinguido y revenido. Los especímenes redondos longitudinales y transversales tomados de secciones que representan el Extremo de Recalcadura, Transición de Inclinación y Cuerpo de Tubería se probaron en dos cuadrantes, 0 o y 180°. Todos los especímenes son redondos estándares, excepto por aquellos del cuerpo de tubería en Ia dirección transversal , que son de sub-tamaño redondo. Las Figuras 4(a) y 4(b) muestran todos los valores de YS y UTS obtenidos de Ia prueba a Ia tracción en las direcciones longitudinal y transversal, respectivamente.
Las Figuras 4(a) y (b) muestran que todos los valores del Límite Elástico obtenidos están por arriba de un m ínimo de 4569.5 kg/cm 2 y no exceden al máximo de 5624 kg/cm 2 . Todos los valores de Resistencia a Ia Tracción Final obtenidos están por arriba de un m ínimo establecido de 5413.1 kg/cm 2 .
La Figura 5 muestra que, para Ia relación de YS/UTS , todos los valores están por abajo de 0.89, el cual se establece como Ia especificación máxima de YS/UTS. Los valores de Ia relación de YS/UTS se muestran en Ia Figura 5 para las direcciones tanto longitudinal como transversal.
Prueba de Dureza
Para el material en Ia "condición extinguida y revenida", Ia
Dureza Vickers HV10 (e lecturas por fila) se midió en las secciones de OD, MW e ID en 4 cuadrantes tomados de las regiones de
Extremo de Recalcadura, Transición de Inclinación y Cuerpo de Tubería. Las lecturas de dureza se tomaron a 1.5 mm desde el diámetro externo (OD) y diámetro interno (ID). Los resultados de Ia prueba del material HV10 extinguido y revenido se muestran en Ia Figura 6.
Aunque el material del caso 1 inicialmente no se considera para aplicación de servicio en medios ácidos, como se muestran en Ia
Figura 6, todas las lecturas de dureza están por abajo de 250HV10
(22 HRc) de acuerdo con el requerimiento NACE para el material que será utilizado en ambientes en medios ácidos.
Prueba de Tenacidad
La característica de mecánica de fractura se evaluó utilizando Ia Prueba de Impacto de Entalla Charpy V Transversal. La temperatura de prueba es de -3O 0 C. Se tomaron grupos de tres especímenes de tamaño completo (10x10 mm) de las regiones de extremo de recalcadura, transición de inclinación y cuerpo de tubería en dos cuadrantes, 0 o y 180°, para cada muestra de material extinguido y revenido. La Figura 7 muestra que todos los valores individuales de
Energía Adsorbida están por arriba de 70 Joules, Ia cual se establece como el objetivo mínimo y 90 Joules como el promedio mínimo de 3 especímenes. La temperatura de transición obtenida en Ia dirección transversal utilizando especímenes de entallado Charpy V de 10x10 en el material que representa el cuerpo de tubería y
extremo de recalcadura está por abajo de -6O 0 C como se muestra en los Cuadros 5(a) y (b).
Cuadro 5 - Curva de Temperatura de Transición, (a) Cuerpo de Tubería y (b) Extremo de Recalcadura
(a)
(b)
Los resultados CTOD que representan el cuerpo de tubería y extremo de recalcadura, como se muestra en el Cuadro 6, muestran resultados excepcionales por arriba de 0.6 mm a -3O 0 C.
Cuadro 6 - Resultados CTOD que Representan (a) Cuerpo de Tubería (b) Extremo de Recalcadura
(a)
(b)
Análisis Microestructural
Se prepararon muestras a partir de un material así extinguido y así extinguido y revenido para el análisis microestructural . La cara transversal hacia el eje de enrollamiento metalúrgicamente se preparó rellenando con arena un papel de arena 600 y pulido a una apariencia de tipo espejo con pasta de diamante y atacado químicamente con Nital al 2% para realizar observaciones microestructurales a través de microscopio óptico .
Las microestructuras se observaron en las secciones OD, MW e I D de regiones de cuerpo de tubería, transición de inclinación y extremo de recalcadura. Se obtuvieron dos cuadrantes, 0 o y 180°,
fotomicrografías a 500X representando Ia microestructura a partir de OD, MW e ID.
En este caso, Ia microestructura observada en el cuerpo de tubería después de Ia extinción consistió de una mezcla predominantemente de bainita y ferrita acicular a través del espesor de pared y una ligera presencia de martensita cerca de Ia superficie externa e interna. Similarmente, se observaron bainita y ferrita acicular y algunas regiones de ferrita no poligonal a través del espesor de pared en Ia sección de recalcadura . El tamaño de grano austenítico anterior (PAGS) se m idió utilizando análisis de imagen en el material así extinguido atacado químicamente con ácido pícrico acuoso en muestras del cuerpo de tubería y el extremo de recalcadura a cuadrantes de 0 o y 1 80°, dando como resultado un tamaño promedio de 9/10 ASTM. La microestructura después del tratamiento de revenido consistió predominantemente de bainita y ferrita acicular que se observaron a través del espesor de pared en el material representando el cuerpo de tubería, transición de inclinación y extremo de recalcadura.
Resultados de Prueba de Fatiga
Los resultados de prueba de fatiga se muestran en Ia Figura 8. Los resultados de prueba muestran un funcionam iento de fatiga muy alto en los extremos de recalcadura, transición y cuerpo de tubería.
Caso 12) SCR TDZ de Recalcadura 10 3 A" OD x 1.250"WT X65 Servicio en Medios ácidos
Para el caso (2), además de toda Ia prueba destructiva incluyendo tracción , dureza y tenacidad realizada en el caso (1 ), se realizó Ia Prueba de Agrietamiento I nducido por Hidrógeno de Servicio en Medios ácidos como por NACE TM0284 y Agrietamiento por Esfuerzo de Sulfuro utilizando Ia prueba de Flexión de Cuatro Puntas. La Figura 9 muestra los resultados de tracción, en donde se puede ver que los valores del Límite Elástico obtenidos están por arriba de 4569.5 kg/cm 2 y no exceden al valor máximo de 5624 kg/cm 2 . Todos los valores de resistencia a Ia tracción final obtenidos están por arriba de 5413.1 kg/cm 2 , los cuales se establecen como el m ínimo especificado.
Todos los valores de relación de YS/UTS está por abajo de 0.89 como se muestra en Ia Figura 10 tanto para dirección longitudinal como transversal.
Como se muestra en Ia Figura 1 1 , todas las lecturas de dureza están por abajo de 250 HV10 (22 HRc) de acuerdo con los requerimientos de NACE MR0175 para materiales que serán utilizados en ambientes en medios ácidos.
Para este caso (2), Ia temperatura de prueba Charpy es de
-4O 0 C. Se tomaron grupos de tres especímenes de tamaño completo
( 1 0x1 0 mm) de Ia pared media de las regiones de extremo recalcadura, transición de inclinación y cuerpo de tubería en dos cuadrantes 0 o y 180°, a partir del material extinguido y revenido.
Como se muestra en Ia Figura 12, todos Io resultados están por arriba de los valores de energía absorbida mínimos esperados de 70 Joules m ínimo individual y 90 Joules como promedio mínimo de 3 especímenes. Se obtuvieron curvas de transición de impacto de Entallado
Charpy V Transversal a partir de 2 muestras, una representando el extremo de recalcadura y Ia otra representando el cuerpo de tubería del material extinguido y revenido para cada caso.
La temperatura de transición obtenida en Ia dirección transversal utilizando especímenes de 10 x 10 de Entallado Charpy V es de entre -5O 0 C y 6O 0 C para el material que representa el extremo de recalcadura y por abajo de -7O 0 C para el material que representa el cuerpo de tubería como se muestra en el Cuadro 9.
Como se muestra en Ia Figura 12, todos los resultados estuvieron por arriba de los valores m ínimos esperados de 70 Joules m ínimo individual y 90 Joules como promedio mínimo de 3 especímenes.
Se obtuvieron curvas de transición de impacto de Entallado Charpy V transversal a partir de 2 muestras, una representando el extremo de recalcad ura y Ia otra representando el cuerpo de tubería del material extinguido y revenido para cada caso.
La temperatura de transición obtenida en Ia dirección transversal utilizando especímenes de 10 x 10 de entallado Charpy V es de entre -5O 0 C y -6O 0 C para el material que representa el extremo de recalcadura y por abajo de -7O 0 C para el material que representa
el cuerpo de tubería como se muestra en el Cuadro 7.
Cuadro 7 - Curva de Temperatura de Transición, fa) Cuerpo de tubería y (b) Extremo de Recalcadura
(a)
(b)
Los resultados de CTOD del material que representa el cuerpo de tubería y el extremo de recalcadura están por arriba de 0.6 mm a -1 O 0 C como se m uestra en el Cuadro 8.
Cuadro 8 - Resultados de CTOD que Representan (a) Cuerpo de Tubería v (b) Extremo de Recalcadura
(a)
(b)
Prueba de Corrosión Solamente para el Caso (2) Agrietamiento Inducido por Hidrógeno
Se realizó Ia prueba H IC en una m uestra representando el extremo de recalcadura y en otra representando el cuerpo de tubería para el Caso 2. Cada grupo de 3 especímenes (3 cuadrantes , 0 o , 120° y 240°) representando el cuerpo de tubería y otro grupo representando el extremo de recalcadura se probó como por NACE TM0284 utilizando Ia Solución "A", el período de prueba fue de 96 horas. Los resultados se muestran en los Cuadros 9 y 10.
Cuadro - 9 Resultados de Prueba de Agrietamiento Inducido por Hidrógeno - Cuerpo de Tubería
Cuadro 10 - Resu ltados de Prueba de Agrietamiento Inducido por Hidrógeno - Extremo de Recalcad ura
Estos cuad ros muestran que no se encontraron ni grietas ni salientes después del período de prueba, mostrando que todos los requerimientos para Ia prueba de Agrietamiento I nducido por Hidrógeno se satisfacen.
Agrietamiento por Tensión de Sulfuro
Se realizó Ia Prueba de Flexión de Cuatro Puntas SSC en 1 muestra representando el extremo de recalcadura y otra
representando el cuerpo de tubería. Cada grupo de 3 especímenes (3 cuadrantes, 0 o , 120° y 240°) representando el cuerpo de tubería y otro grupo representando el extremo de recalcadura se probaron como por ASTM G48. Se consideró Ia solución "A" de prueba de NACE TM0177.
La tensión de prueba es 95% del Límite Elástico Mínimo Especificado (S MYS) y dos períodos de prueba de 96 horas y 720 horas. Los resultados se muestran en los Cuadros 1 1 y 12.
Cuadro 11 - Resultados de Prueba de Flexión de Cuatro Puntas SSC Representando el Material del Cuerpo de Tubería (a) Después de 96 Horas de Exposición (a) y Después de 720 Horas de Exposición
(a)
(b)
Cuadro 12 - Resultados de Prueba de Flexión de Cuatro Puntas SSC Del Extremo de Recalcadura (a) Después de 96 horas de Exposición (b) Después de 720 Horas de Exposición
(a)
(b)
Los Cuadros 1 1 y 12 muestran que tocios los especímenes de
Flexión de Cuatro Puntas pasaron exitosamente Ia prueba de SSC después del período de prueba, se sometieron a esfuerzo a
95%SMYS , no se observaron grietas después de 96 horas y aún después de 720 horas.
Caracterización Microestructural
Se utilizó Microscopía óptica y Microscopía Electrónica con Barrido para Ia caracterización de material. El análisis microestructural se realizó en las secciones OD, MW e I D de las
regiones de cuerpo de tubería, transición de inclinación y extremo de recalcadura en dos cuadrantes 0 o y 180° para muestras en Ia condición así extinguida y en Ia condición extinguida y revenida.
La microestructura así extinguida del cuerpo de tubería consistió predominantemente de bainita y ferrita acicular en Ia pared media, cerca de Ia superficie externa e interna, se observó una ligera presencia de martensita.
La microestructura así extinguida de recalcad ura consistió predominantemente de bainita y ferrita acicular a través del espesor de pared.
El PAGS se midió utilizando análisis de imagen en el material así extinguido, atacado químicamente con ácido pícrico acuoso en muestras del cuerpo de tubería y extremo de recalcadura. Se obtuvo un tamaño de PAGS promedio de 7/8 ASTM tanto para el cuerpo de tubería como el extremo de recalcadura, respectivamente.
La microestructura en Ia pared media después del revenido consistió predominantemente de bainita y ferrita acicular en el cuerpo de tubería y transición de inclinación; y bainita, ferrita acicular y ferrita no poligonal en los extremos de recalcadura.
Resultados de Fatiga
Los resultados de Ia prueba de fatiga están graficados en Ia Figura 13. Los resultados de prueba muestran un funcionam iento m uy alto de fatiga en los extremos de recalcad ura, transición y cuerpo de tubería.
La invención ha sido totalmente descrita y los resultados de fatiga experimentales muestran que el funcionamiento de fatiga para estas dos Soluciones de Recalcadura descritas anteriormente en el caso ( 1 y 2) se ha incrementado con un factor que varía de entre 3 y 15.
Next Patent: OFFSHORE OIL PRODUCTION PLATFORM