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Processo de fabricação de tubos com costura especiais – Carlos A. Stefani

Siderurgia Brasil — Edição 57

A qualidade da soldagem e da remoção interna torna os tubos com costura especiais aptos para as mais variadas aplicações.

Carlos A. Stefani*

Os tubos especiais podem ser caracterizados como aqueles produtos que possuem algum tipo de requisito (regido por norma e/ou especificações de clientes), determinado normalmente em função das exigências em sua aplicação. Alguns desses requisitos consistem na elaboração mais criteriosa da matéria prima, propriedades mecânicas, tipo de acabamento, perfil ou forma e precisão dimensional.
O tubo é também especial em função da qualidade de sua soldagem e de sua remoção interna, que associadas aos processos de acabamento, o tornam apto para as mais diversas aplicações e grandes solicitações, tais como processos de conformação, hidroconformação, estampagem, dobramento etc. Em função da extensão deste assunto, faremos apenas uma breve descrição dos principais processos utilizados na fabricação e acabamento de tubos com costura.

Abaixo, um fluxo simplificado do processo de fabricação:
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Preparação da matéria prima (fitas)
As fitas que darão origem aos tubos soldados podem ser obtidas através do corte longitudinal de bobinas, laminadas a quente ou a frio, provenientes das usinas siderúrgicas ou por meio de processos de relaminação.
Os fluxos de produção normalmente são:
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A relaminação permite obter um ou mais dos seguintes fatores em relação às bobinas de usinas:
• espessuras intermediárias aos padrões;
• tolerâncias de espessura muito mais restritas;
• melhores níveis de acabamento superficial;
• propriedades mecânicas pouco diferenciadas.
Em função de sua importância na soldagem, o processo de corte/recorte deve ser executado com qualidade (precisão, perfil do corte, níveis de rebarba etc.) e para isto, além de boas condições mecânicas da tesoura de corte, devem ser respeitados os parâmetros de montagem e regulagem (folgas horizontais e verticais) e deve ser usado um jogo de facas de alta qualidade, para garantir grande precisão dimensional, planicidade, paralelismo, resistência mecânica e ao desgaste.
 
Soldagem de tubos
Em função da alta qualidade e produtividade obtida, o processo mais utilizado mundialmente para a soldagem de tubos (pequeno e médio diâmetro) de aço carbono é a indução a alta frequência. Nesse processo, a corrente de alta frequência é induzida para o tubo com a costura aberta através de uma bobina de indução localizada a frente do ponto de solda formando um V aberto, cujo vértice está à frente deste ponto, não havendo contato entre a bobina e o tubo (figura a). A bobina age como o primário de um transformador de alta frequência e o tubo com a costura aberta como um secundário de uma volta. O caminho da corrente induzida tende a conformar-se ao formato da bobina; a maior parte completa seu caminho em torno do tubo, concentrando-se no vértice V (figura b). A densidade de corrente AF é maior nas bordas próximas ao vértice; um aquecimento rápido ocorre levando as bordas da fita a temperatura de caldeamento quando chegam ao vértice; os rolos de soldagem forçam a união das bordas completando a soldagem.

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Máquina de tubo
O equipamento utilizado para transformar a fita em tubo possui as seguintes seções:
• Alimentação: desenrolador, endireitador da chapa, emendador e acumulador das fitas.
• Formação: rolos do break down e fin pass.
• Soldagem: gerador AF, mesa de solda, sistema de remoção externa e interna.
• Bitolagem: rolos de calibração, cabeças turcas e E.N.D.
• Saída: carro de corte, descarga e bolsas.
Em resumo, neste equipamento há inúmeros fatores a serem observados para se produzir com qualidade e produtividade, dentre os quais podemos destacar:
• Fita (qualidade do corte e largura).
• Máquina (condições e alinhamento).
• Ferramental (acabamento, dimensional e propriedades mecânicas).
• Refrigeração (impeder, bobina, gerador e ferramental).
• Impeder (posicionamento e dimensões, qualidade e tipo do ferrite).
• Bobinas de indução (posicionamento, diâmetro e largura).
• Mesa de solda (integridade, compressão das bordas, conjunto de 2-3 ou 4 rolos).
• V de soldagem (ângulo, comprimento, posição do vértice e bordas paralelas).
• Sistema de remoção (rigidez do varão e tipo de ferramenta).
Em complemento a tudo isso, a avaliação da solda e do processo deve ser feita através de vários métodos: inspeção visual, E.N.D., ensaios físicos e metalográficos. Em resumo, para o sucesso deste processo há três condições que são extremamente fundamentais: matéria prima bem preparada, máquina em condições adequadas e mão de obra capacitada e treinada.

Tratamento superficial
É uma linha com tanques contendo banhos químicos, com o objetivo de preparar o material superficialmente para algum tipo de deformação a frio ou para receber revestimentos ou tintas para aumentar sua resistência a corrosão.

Tanque 1 – Desengraxante: é um produto fortemente alcalino para limpeza de metais por imersão a quente. Sua alcalinidade é adequada para saponificar óleos vegetais e animais e, em conjunto com tensos ativos, dispersar partículas sólidas soltas e óleos minerais. Sujidades e óleos que sobrenadam este banho devem ser periodicamente removidos para melhorar seu rendimento e desempenho.
Tanques 2, 4 e 6 – Água de lavagem: água com controle de pH para a remoção de resíduos minimizando a contaminação entre os banhos.
Tanque 3 – Decapagem ácida: a limpeza química para remover óxidos ou carepas e permitir melhores condições para reações nos banhos seguintes pode ser feita por meio de acido muriático à temperatura ambiente ou ácido sulfúrico a quente. Para minimizar o ataque ao metal base, adiciona-se inibidor ao banho.
Tanque 5 – Fosfato: é um produto formulado para produzir uma camada cristalina, de boa aderência e com capacidade de aumentar a ancoragem do lubrificante ou sabão. A camada pode ser acelerada através de aditivos oxidantes, sendo os principais os nitritos e os cloratos. São estes alguns tipos de fosfato:
• Fosfato de zinco: camada de 5 a 12 gr./m2; recomendado para deformação a frio.
• Fosfato de ferro: camada de 1 a 2 gr./m2; para pré-tratamento para pintura.
• Fosfato de manganês: camada até 15 gr./m2; adequado para melhorar resistência à corrosão e ao desgaste.
• Fosfato nanotecnológico: camada de 1 a 2 gr./m2, a base de zircônio (não contém metais pesados); usado para preparação para pintura.
Tanque 7 – Neutralizador: este banho neutraliza a superfície fosfatizada, permitindo obter pH adequado à reação com o sabão.
Tanque 8 – Sabão: lubrificante reativo a base de estearato de sódio, formulado para promover uma reação com o fosfato, formando uma camada de estearato de zinco com excelentes propriedades para deformação a frio. A boa preparação e lubrificação permitem o aumento da velocidade de deformação, o aumento da vida útil das ferramentas, reduções e conformações maiores, e melhor acabamento superficial.
Tanque 9 – Secador ou estufa
Tanque 10 – Óleo protetor: óleo mineral, base hidrocarbonetos puros e combinados.

Trefilação
É um processo de conformação mecânica a frio, que consiste em tracionar o tubo, previamente preparado, através de uma ferramenta onde o escoamento plástico ocorre principalmente pelas forças compressivas provenientes da reação desta ferramenta como o tubo e, em menor parte, pela estricção do tubo após a deformação.

Neste processo, além da redução da secção, podemos obter também: precisão dimensional, perfis, acabamento superficial e propriedades mecânicas diferenciadas. A ferramenta utilizada, que confere a forma e dimensão externa, chamada de “fieira”, é geralmente fabricada em metal duro ou aço alto carbono revestido com cromo duro. A sua geometria é dividida em 4 zonas:
1. Ângulo de entrada
2. Ângulo de redução
3. Cilindro de calibração
4. Ângulo de saída

A trefilação de tubos pode ocorrer com ou sem ferramenta interna. Esta ferramenta chamada de “plug ou mandril” pode ainda ser aplicada em três tipos: mandril paralelo, flutuante ou semi-flutuante, onde alguns fatores determinarão o melhor a ser usado.
A preparação superficial necessária à deformação, descrita anteriormente, diminui o atrito tubo/fieira o que contribui para a qualidade superficial do produto, reduz o aquecimento e o desgaste do ferramental, proporciona maior velocidade de estiramento e reduz a força ecessária à deformação.

Tratamento térmico
Consiste em aquecer o material até uma determinada temperatura, a manutenção da mesma (enxarque) e o resfriamento até a temperatura ambiente. O tratamento é executado em fornos contínuos com aquecimento elétrico ou a gás, fazendo o monitoramento da temperatura na zona de aquecimento por meio de termopares e atmosfera controlada.
Este processo tem como objetivo obter um ou mais dos seguintes resultados: homogeneização da estrutura, refinamento de grão, eliminação do encruamento e das tensões de etapas anteriores, e propriedades mecânicas específicas. Os tratamentos utilizados são os de normalização e recozimento em temperaturas ao redor de 900° C, e de alívio de tensões em temperaturas na faixa de 450 a 700° C. Esquema típico de um forno contínuo:

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Durante o tratamento térmico, podem ocorrer dois fenômenos indesejáveis ao aço: a oxidação e a descarbonetação. A oxidação (2 FeO+O2=2FeO / Fe+CO2=FeO+CO / Fe+H2O=FeO+H2) acarreta uma camada de óxido na superfície e a descarbonetação (2C+O2=2CO / C+CO2=2CO / C+2H2=CH4) provoca uma camada superficial com dureza menor, devido à perda de carbono. Portanto, toda e qualquer fonte de oxigênio que possa contaminar a atmosfera do forno deve ser evitada, merecendo assim muita atenção dois fatores: potencial de oxigênio e ponto de orvalho. A fim de evitar que esses fenômenos ocorram, é injetado no interior do forno um gás protetor; o mais comum é o nitrogênio e, em alguns casos, uma mistura nitrogênio e hidrogênio. A vantagem dessa mistura é a de ser bastante reativa em função do poder redutor do hidrogênio, porém a mesma requer cuidados adicionais ao manuseá-la.

Ensaios Não Destrutivos (E.N.D.)
São utilizados para fazer a inspeção e o controle da qualidade dos materiais, sendo capazes de detectar níveis de defeitos ou descontinuidades sem danificá-los. Os ensaios mais utilizados são: partículas magnéticas, correntes parasitas e ultrassom. Eles podem ser empregados tanto para o monitoramento do processo (prevenção de defeitos) quanto do material acabado (aumento da confiabilidade na utilização).
Para que esses ensaios sejam uma importante ferramenta no controle do processo e qualidade dos produtos, são necessários equipamentos regulados e calibrados, procedimentos operacionais e padrões de aceitação que contemplem normas específicas, e pessoal devidamente treinado e qualificado.

*Carlos A. Stefani é engenheiro metalurgista formado pela Faculdade de Engenharia Industrial (FEI), com 26 anos experiência na fabricação de tubos, sendo 10 anos na Persico Pizzamiglio onde exerceu as funções de chefe de Engenharia e gerente de Produção, e 16 anos na MTP, onde desempenha a função de Gerente Industrial.