Evolução da tecnologia de fabricação e de aplicação de tubos – Parte III

Siderurgia Brasil — Edição 19
Processos e Produtos em 26 Ago 2004

Nos primeiros dois artigos publicados, foi discutida desde a fabricação de tubos soldados a partir de fitas de aço até o corte nos comprimentos requeridos pelo mercado. Neste terceiro trataremos das principais aplicações dos tubos e de suas implicações com os equipamentos que proporcionam o acabamento.

Reiterando o que foi dito anteriormente, as aplicações dos tubos são as mais variadas e, às vezes, até as mais improváveis. Aqui, porém, limitaremos a nossa análise às aplicações mais difundidas e comercialmente interessantes:
• a condução de fluidos, particularmente a água,
• a construção civil,
• a indústria de petróleo e gás,
• as indústrias automotiva e mecânica, e
• a indústria de caldeiras e de troca térmica

TUBOS PARA A CONDUÇÃO DE FLUIDOS

Estes tubos são destinados normalmente a aplicações com fluidos (água, gás, gasolina etc.) com pressões de serviço médias, comprimento standard de 6 m e extremidades com ponta lisa, para solda ou outras uniões do tipo Victaulic e outras, e pontas rosqueadas com luvas. Poderão ser também, dependendo das aplicações, galvanizados por imersão ou com outro tipo de proteção contra a corrosão.

A operação inicial é o faceamento do tubo, necessário na maioria das vezes, seja em termos de apresentação dos tubos, seja para evitar prejudicar as operações seguintes, principalmente no caso da presença de rebarbas de corte acentuadas. Por exemplo, é fundamental a ausência de rebarbas cortantes no caso de ensaios de eddy currents, para evitar danificar a bobina de teste, ou no caso de testes hidrostáticos, para evitar danos aos retentores. E indispensável quebrar o canto vivo na superfície externa do corte dos tubos com um ângulo de 30º ou maior para tubos destinados ao rosqueamento, para evitar o enfraquecimento do primeiro filete da rosca, com conseqüente quebra na hora da montagem da luva.
Para tubos destinados à união por soldagem, deve ser feita uma operação de chanfragem com geometria bem definida e ângulo de 0º para espessuras abaixo de 3 mm e de 30º ou 36º, conforme o pedido do cliente, para espessuras maiores. As operações de chanfragem são executadas em máquinas automáticas de grande produção, enquanto as de rebarbação utilizam máquinas mais simples, equipadas com ferramentas de corte, ou máquinas escovadeiras que permitem a eliminação de rebarbas leves de corte por meio de grandes escovas rotativas de aço.

No caso de tubos de condução, é importante garantir a ausência de vazamentos, sempre localizados na solda em tubos soldados. Para tanto são usados os testes hidrostáticos ou os ensaios não destrutivos. As especificações internacionais mais conceituadas (DIN, BS etc), inclusive as Normas Brasileiras, prescrevem para estes tubos a execução de um ensaio não destrutivo ou hidrostático. Naturalmente os testes preferidos, por serem mais práticos e rápidos, são os ensaios não destrutivos, principalmente o de correntes parasitas ou eddy currents. Normalmente eles são executados diretamente na linha de formação, mediante um elemento detector em forma de sela, que permite detectar os eventuais defeitos existentes na região da solda. A vantagem deste sistema, além de garantir a integridade da solda, consiste no fato de monitorar continuamente o andamento do processo e de permitir eventuais ajustes preventivos na formação e na solda, desfrutando também da possibilidade de existir um nível de alarme preliminar, útil para sinalizar possíveis problemas que forem surgindo.

Fig. 1 – Tubos para condução

Uma proteção contra a corrosão muito difundida é a galvanização por imersão, que consiste na aplicação de uma camada de alguns centésimos de mm de zinco nas superfícies do tubo por meio de imersão em zinco fundido. Durante a permanência do aço no zinco fundido, ocorrem reações químicas muito complexas entre o zinco e o ferro, que dependem de diversos fatores, tais como a temperatura, o tempo de imersão e a presença de alumínio, que permitem a formação de compostos (ligas ferro-zinco) que são fundamentais na ancoragem do zinco na superfície do aço.
Por ser um metal menos nobre que o aço na escala de elementos químicos, o zinco é corroído preferencialmente no lugar do aço, permitindo uma proteção chamada de passiva. Esta proteção é efetiva somente em presença de agentes corrosivos leves, tais como a água à temperatura ambiente e o ar úmido, e certamente não poderá resistir a agentes mais agressivos, como a água do mar ou o enterramento no solo. Para tais agentes deverá ser utilizado outro tipo de revestimento, do qual trataremos mais adiante.
O processo de galvanização por imersão tem várias fases:
• limpeza química em banhos alcalinos, para a eliminação de gorduras,
• decapagem com ácido,
• fluxagem em solução de sais de zinco e amônia,
• secagem em estufa,
• imersão em zinco a uma temperatura de 450 a 460 ºC,
• extração do banho de zinco por meio de um sistema de polias magnéticas,
• eliminação do excesso de zinco por meio de sopro externo e interno de vapor ou ar comprimido,
• imersão em água à temperatura de 60 a 80 ºC, para deter reações químicas zinco-ferro indesejáveis e
• imersão em solução passivante.

Outro processo importante para tubos de condução é o rosqueamento das pontas, que é executado em máquinas automáticas de alta produtividade, que incluem também a aplicação mecânica das luvas de junção.

TUBOS PARA A CONSTRUÇÃO CIVIL

São grandes as quantidades de tubos consumidas pela construção de prédios, seja particulares ou públicos. Além dos tubos de condução já vistos e que são utilizados na condução de água, gás e outros fluidos, ou na formação de redes contra incêndio, os tubos têm também importantes empregos estruturais.
São bem conhecidas hoje as aplicações em estruturas espaciais para suporte de coberturas de grandes áreas, como supermercados, estações aeroviárias e grandes fábricas, onde são melhor aproveitadas as excepcionais qualidades estáticas de resistência e leveza das estruturas tubulares. Estas estruturas são fabricadas com tubos de aço feitos com ligas especiais, contendo cobre e outros elementos, que permitem, além de elevada resistência mecânica, boas propriedades de resistência à corrosão. Hoje existem também aplicações ainda mais arrojadas de estruturas espaciais, que constituem a estrutura principal de prédios de muitos andares.

Fig. 2 – Estrutura espacial

Outra aplicação na construção é constituída de eletrodutos rígidos, que são utilizados seja em construções de pequeno porte sob a forma de eletrodutos leves com espessura de parede em torno de 1 mm, seja em construções de grande porte de escritórios ou industriais, que utilizam tubos de espessura às vezes elevadas, galvanizados e com união de rosca e luva.

TUBOS PARA A INDÚSTRIA DE PETRÓLEO E GÁS

Os fornecimentos de tubos para a indústria de petróleo e gás são regulados pelas normas americanas do API (American Petroleum Institute) e incluem tubos para o transporte (oleodutos e gasodutos) e tubos para a produção.

Os tubos para oleodutos e gasodutos (line pipes) são regidos pela norma API 5L, e incluem tubos a partir de 1/8” até 30” ou mais, com espessuras variadas. As resistências à tração vão desde o grau A, com limite de escoamento mínimo de 30.000 psi (21,1 kg/mm²) até o grau X80 com 80.000 psi (56,2 kg/mm²) de escoamento mínimo. Os tubos deverão ser fornecidos com extremidades lisas para solda com chanfro com geometria definida; são previstas também extremidades rosqueadas para tubos até 6”, com geometrias das roscas definidas pela norma API 5D. Por serem tubos que normalmente irão ser enterrados ou imergidos no mar, no caso de oleodutos submarinos, os tubos desta classe serão protegidos com revestimentos especiais.
Até alguns anos atrás nos oleodutos era utilizado um revestimento à base de esmalte de alcatrão de hulha (coal tar enamel) reforçado com tecido de fibras de vidro. Hoje são utilizados revestimentos à base de epóxi (fusion bonded epoxi) ou revestimentos em três camadas (three layers coating), constituídas de epóxi, uma camada adesiva e uma camada de polietileno de baixa ou media densidade. São também utilizados outros tipos de revestimentos para diferentes finalidades, como, por exemplo, revestimento isolante térmico com poliuretano expandido, para o transporte de óleo pesado, fluido somente a altas temperatura.

Fig. 3 – Revestimento em três camadas
Fig. 4 – Processo de revestimento externo

Todos estes revestimentos são ancorados na superfície do tubo isenta de óxidos e outras impurezas, obtida por meio de jateamento com granalha de aço. Os tubos de produção são regidos pela norma 5CT, e incluem tubos de revestimento (casing) e tubos para bombeamento (tubing).
Os tubos de revestimento são destinados, como o nome já diz, ao revestimento dos poços e tem diâmetros a partir de 4 ½ ” até 20”. A resistência à tração varia desde o grau H40, com 40.000 psi (28,1 kg/mm²) até Q125 com 125.000 psi (87,9 kg/mm²) de limite mínimo de escoamento. Evidentemente nem todos esses graus poderão ser alcançados pelos tubos soldados, que se limitam normalmente a cobrir os graus H40, J55 e K55, com possibilidade de chegar aos graus N/L80 mediante tratamento de tempera e revenimento.
Os tubos de revestimento são fornecidos com extremidades lisas, para rosqueamento posterior, ou rosqueados com roscas especiais round thread ou buttress, regidas pela norma API5D. Os tubos tubing têm diâmetros a partir de 1,050” até 4 ½ ” e resistências na mesma faixa dos tubos de revestimento. Os tubing são especificados freqüentemente com extremidades especiais, chamadas upsetted ends, que são extremidades forjadas a quente para reforçar a região de união entre os tubos, na área onde será usinada a rosca especial, sempre regulada pela norma API5D. Poderão também ser fornecidos com ponta lisa para roscar ou para upset, ou com ponta roscada non-upset (NU), sempre conforme a norma API5D. Todos os tubos API5CT têm tolerâncias dimensionais bem apertadas, seja de diâmetro externo, interno e de peso.

As luvas dos tubos API 5L e 5CT devem ser fabricadas a partir de tubos sem costura e devem ter grau igual ou superior ao grau dos tubos, e rosqueadas conforme a norma API5D. Os tubos soldados API são caracterizados pela exigência de tratamento térmico localizado na região da solda, para evitar a presença de martensita. Têm também a exigência de dois testes, um de ensaios não-destrutivos de eddy currents ou ultra-som, na região da solda, e um teste hidrostático.

TUBOS PARA AS INDÚSTRIAS AUTOMOTIVA E MECÂNICA

As aplicações de tubos na indústria mecânica são muito freqüentes, proporcionando um mercado extremamente grande e diversificado para a indústria de tubos. Normalmente são especificados como tubos de precisão, com tolerâncias dimensionais bastante rígidas, que requerem às vezes o retrabalho a frio (trefilação) dos tubos. São também requeridas propriedades mecânicas de dureza e resistência à tração especial, como nos tubos utilizados no reforço de portas na indústria automobilística. Na maioria das vezes são produzidos a partir de laminados a frio. Outra propriedade importante desta classe de produtos é a exigência de fornecimento em comprimentos finais às vezes muito pequenos, daí a necessidade de equipamentos de corte que possam atender à grande demanda de peças das mais variadas dimensões, com produtividade e precisão.
Os sistemas de corte empregados são os tradicionais, equipados com dispositivos de manuseio automáticos, que permitam uma produtividade adequada e até embalagem em caixas ou fardos especiais. Dispositivos a laser, que permitem um controle contínuo automático do diâmetro durante a produção, são às vezes necessários para dar garantia de fornecimento dentro de padrões definidos.
Os usuários necessitam às vezes que o fornecimento inclua, além do corte, algumas operações mecânicas de usinagem. Para tanto existem equipamentos com vários eixos, que permitem executar automaticamente e em tempos extremamente reduzidos o corte e outras operações complementares, como alargamentos, chanfros, rosqueamentos, furações etc.

Fig 5 – Máquina de corte com eixos complementares

Uma classe especial desses equipamentos são as máquinas de corte a laser, que permitem cortar com extrema precisão e com corte limpo, apresentando ao mesmo tempo chanfros, corte em ângulo ou para encaixe, furos conforme desenhos de vários tipos e outros. Os lasers mais utilizados para o corte de tubos são o de CO2 e de ND:YAG.

Fig 6 – Corte a laser de uma peça tubular

A indústria automotiva é continuamente envolvida em processos de redução de custos, sem perder de vista a otimização dos seus produtos com referencia a peso, resistência mecânica e rigidez. A indústria siderúrgica está envolvida em processos como o USLAB (ultra light steel auto body) e ULSAC (ultra light steel auto closure). Os resultados têm demonstrado que o uso do aço, em conjunto com tecnologias avançadas de processamento, proporciona uma considerável redução de peso, incrementando a performance estrutural sem aumento de custo.
Nesse sentido, os tubos de aço contribuíram e continuam contribuindo, desfrutando as excepcionais características estáticas dos tubos, junto com a redução de peso. Um processo sempre mais difundido é o hydroforming, que consiste em forçar dentro uma matriz o material do tubo através de uma conveniente pressão de óleo injetado na parte interna do tubo.

Fig. 7 – Utilização do hydroforming em peças estruturais de automóveis

As principais vantagens desse processo, comparado com o processo de estampagem e solda, são:
• peso reduzido,
• pequeno custo da ferramenta,
• integração de várias partes, com conseqüente redução do seu custo,
• eliminação de operações de solda, e
• melhora na repetitibilidade dimensional.
Quando usado a partir de aço de alta resistência, este processo proporciona partes estruturalmente superiores, com espessura mais fina e peso reduzido.
Outro segmento interessante é a indústria de implementos agrícolas e de caminhões e ônibus, onde são utilizados principalmente tubos quadrados e retangulares.

TUBOS PARA A INDÚSTRIA DE CALDEIRAS E DE TROCA TÉRMICA

Os tubos utilizados para estas indústrias, que incluem tubos para caldeiras, tubos para trocadores de calor e tubos para refrigeradores, deverão ter ótimas propriedades de deformação a frio, seja para a expansão e outros trabalhos nas extremidades, seja para serem curvados. Outra propriedade requerida é a resistência à corrosão por agentes de pequena ou média agressividade, evitando-se a corrosão preferencial que pode ocorrer na região da solda. Para tanto é especificado um tratamento térmico que pode ser executado dependendo das aplicações, e, portanto, dos requerimentos, seja nos clássicos fornos de tratamento térmico, seja com indução em alta freqüência (de 1.000 a 4.000 Hz) na linha de formação.
O aquecimento a indução é recomendado principalmente para tubos de pequeno diâmetro (até 8 mm), destinados à indústria de refrigeradores, onde as exigências são menos rígidas, permitindo o recozimento a temperaturas da ordem de 750 ºC, com permanência em temperatura da ordem de segundos.
Para exigências mais rígidas, como as da especificação ASTM A 214, será necessária a utilização de fornos de tratamento térmico, que permitirão temperaturas maiores (950ºC) ou tempos elevados de permanência em temperatura. Basta pensar que, para a permanência em temperatura de 1 min., muito pequena em termo de requerimentos normais, seria necessário um indutor de 50 m à velocidade de 50 m/min.

Fig. 8 – Caldeira tubular em construção

O processo típico para a produção de tubos de caldeira e de troca térmica, conforme a ASTM, é o seguinte:
• tratamento térmico em forno de atmosfera controlada a 920 ºC,
• endireitamento,
• ensaio não destrutivo de eddy current ou ultra-som,
• teste hidrostático, e
• corte final e marcação.

O ensaio não destrutivo de eddy current ou ultra-som é necessário por causa da operação de endireitamento, que produz tensões que podem provocar trincas na região da solda. Esses ensaios são feitos evidentemente fora da linha de formação, em equipamentos especiais de manuseio automático.

SALVATORE DI MINO é italiano, formado em Engenharia Elétrica pela Universidade de Roma, com pós-graduação em Metalurgia Siderúrgica no Instituto Siderúrgico Finsider de Gênova. Trabalhou na Itália em fábricas de tubos sem costura e soldados e desde 1972 no Brasil, onde foi diretor técnico da Persico Pizzamiglio, uma das maiores fábricas de tubos soldados de São Paulo. Atualmente trabalha como consultor de empresas.