Entendendo Tubos de Aço: Da Fabricação à Infraestrutura

A história, produção e uso de tubos de aço

Tubos de aço são tubos cilíndricos feitos de aço que são usados de muitas formas na fabricação e infraestrutura. São o produto mais utilizado feito pela indústria do aço. O uso primário de tubos é no transporte de líquido ou gás subterrâneo — incluindo óleo, gás e água. No entanto, tubos de tamanhos variados são usados em toda a fabricação e construção. Um exemplo comum de fabricação doméstica é o tubo de aço estreito que executa o sistema de refrigeração em geladeiras. A construção usa tubos para aquecimento e encanamento. Estruturas podem ser construídas usando tubo de aço de tamanhos variados, como corrimãos, bicicletários ou bolardos de tubo.

William Murdoch é considerado o pioneiro dos tubos de aço. Em 1815, ele uniu canos de mosquetes para suportar um sistema de queima de lâmpada a carvão. Murdoch usou seu sistema inovador de tubulação para transportar gás de carvão para lâmpadas nas ruas de Londres.

Desde os anos 1800, grandes avanços foram feitos na tecnologia de tubos de aço, incluindo melhoria de métodos de fabricação, desenvolvimento de aplicações para seu uso, e o estabelecimento de regulamentos e padrões que regem sua certificação.

Como o tubo de aço é feito?

Da fusão de matérias-primas à moldagem ou solda, este material de construção ubíquo é criado através de dois processos principais:

Converter aço bruto em forma mais utilizável

Ambos os processos devem começar fazendo aço de boa qualidade. Aço bruto é produzido por fundições através de um processo de fusão de matérias-primas em um forno. Para obter a composição exatamente correta, elementos podem ser adicionados ao metal fundido, e impurezas removidas. O aço fundido resultante é vazado em moldes para fazer lingotes ou transferido para uma máquina de lingotamento contínuo para fazer placas, blocos e lingotes. Tubo é feito de dois destes produtos: placas ou blocos.

Placas de aço e skelp de aço na fabricação de tubos

Skelp de aço é feito de placas que são aquecidas a 1.204°C (2.200°F). O calor causa a formação de uma escama na superfície, que deve ser removida através de um quebrador de escama e limpeza de alta pressão. Uma vez limpo, a placa de aço é laminada a quente em tiras finas e estreitas de aço chamadas skelp. O skelp é decapado (limpeza de superfície) com ácido sulfúrico, lavado com água e enrolado em grandes carretéis como matéria-prima para fabricação de tubos. A largura do skelp determina o diâmetro do tubo que pode ser feito.

O skelp é desenrolado do carretel, aquecido, e laminado através de rolos ranhurados, que dobram as bordas do skelp para cima. Este processo produz um tubo cilíndrico onde as duas bordas foram dobradas ao redor para se encontrarem formando um cilindro longo. Um processo de solda une as bordas e sela o tubo.

• Em uma operação de solda contínua, rolos de solda pressionam as bordas do tubo uma na outra — formando uma solda forjada devido ao calor que já foi aplicado ao skelp. Nenhum metal é adicionado durante a solda, e os rolos finais reduzem o diâmetro e a espessura da parede do tubo às especificações.
• Soldagem por resistência elétrica segue processo similar à solda contínua, exceto que o skelp é laminado a frio na forma do tubo. Corrente é fornecida às bordas do tubo por discos de cobre giratórios, que aquecem as bordas até a temperatura de solda. Rolos de solda unem as bordas do tubo para criar uma solda forjada.
• Soldagem espiral e soldagem de arco submerso duplo usam técnicas de solda mais convencionais e adicionam material de solda para formar a ligação.

Blocos de aço para tubo sem costura

Blocos de aço são peças longas quadradas de aço produzidas diretamente de uma máquina de lingotamento contínuo ou como produto secundário feito de lingotes fundidos laminados e esticados. Estes blocos podem ser usados para fazer tubo sem costura, que é mais seguro em algumas aplicações por não ter linha de solda.

O bloco de aço sólido deve ser aquecido a temperaturas extremas, tornando-se branco-quente mas não fundido. Máquinas os laminam para que se tornem um sólido cilíndrico. Ainda quente, um perfurador em forma de bala é usado para fazer o centro oco regular de acordo com suas dimensões. Uma série de operações de fresamento seguem para conformar o tubo às especificações requeridas.

Etapas de acabamento

Tubos podem ser passados por uma máquina de endireitamento como etapa final de processo antes de serem equipados com juntas na extremidade. Tubulações de pequeno diâmetro geralmente são equipadas com juntas rosqueadas, mas tubulações de maior diâmetro normalmente são equipadas com flanges que são soldadas na extremidade do tubo. Máquinas de medição verificam as dimensões do tubo finalizado, e carimbam os detalhes no lado do tubo para fins de controle de qualidade.

Controle de qualidade

Etapas de controle de qualidade incluem verificar o tubo para defeitos usando máquinas de raio-X — especialmente ao longo da solda. Outra técnica é testar o tubo sob pressão enchendo-o com água, então mantendo-o sob pressão por um tempo especificado para expor quaisquer defeitos que possam causar falha catastrófica antes de ser posto em serviço.

Como o tubo de aço é usado?

Tubos são usados em estruturas, transporte e fabricação. São dimensionados de acordo com seu diâmetro externo, com o diâmetro interno variando baseado na espessura da parede. Algumas aplicações precisam de paredes mais grossas que outras, dependendo das forças que o tubo deve gerenciar.

Uso estrutural

Usos estruturais são comuns em construção e edificação. Nestes indústrias, o material de construção é comumente referido como tubos de aço.

Estacas de construção

Tubos de aço fornecem resistência a fundações em um processo chamado estacamento. Nestes aplicações, o tubo é cravado profundamente na terra antes da fundação ser assentada. Fornece estabilidade para um edifício alto ou construção em solo que não é seguro.

Existem dois tipos fundamentais de fundações de estacas:

• Estacas de apoio de ponta têm a extremidade inferior repousando em uma camada de solo ou rocha especialmente forte. A carga do edifício é transferida através da estaca para a camada forte.
• Estacas de atrito transferem a carga do edifício para o solo ao longo de toda a altura da estaca, por atrito. A superfície inteira da estaca ajuda a transferir as forças para o solo.

Postes de andaime

Postes de andaime são feitos ligando tubos de aço em uma gaiola que permite trabalhadores de construção acessar áreas altas acima do nível do solo.

Uso na fabricação

Corrimãos de proteção

Corrimãos de proteção também são feitos de tubos de aço, criando um recurso de segurança esteticamente agradável para escadas e varandas.

Bolardos

Bolardos de segurança são usados para isolar uma área do tráfego de veículos para proteger pessoas, edifícios ou infraestruturas.

Bicicletários

Muitos bicicletários comerciais são formados dobrando tubos de aço. As propriedades resistentes do material de aço tornam-no seguro contra ladrões.

Uso no transporte

O uso mais comum de tubos de aço é para o transporte de produtos porque o material é bem adequado para instalações de longo prazo. Pode ser enterrado no subsolo devido à sua robustez e resistência à degradação.

Aplicações de baixa pressão não requerem que tubos tenham alta resistência já que não são expostos a tensões significativas. Espessura de parede estreita permite fabricação mais barata. Aplicações mais especializadas — como tubos usados na indústria de óleo e gás — requerem especificações mais rigorosas. A natureza perigosa do produto sendo transportado, e a possibilidade de pressão aumentada na linha, demandam alta resistência e portanto maior espessura de parede. Isso geralmente traz um custo associado mais alto. Controle de qualidade é crítico para estas aplicações.

Como o tubo de aço é especificado?

Pode haver confusão sobre a forma como estes materiais são especificados, e o que isso significa para as características exatas do tubo. A American Society for Testing and Materials (ASTM) junto com The American Society of Mechanical Engineers (ASME) e o American Petroleum Institute (API) são as organizações mais referenciadas para especificações de tubulação na América do Norte.

Especificações podem ser divididas em três categorias principais:

Tamanho nominal do tubo

O tamanho do tubo é cotado como "Tamanho Nominal do Tubo" ou NPS. A origem dos números NPS para tubos menores (< NPS 12) é diferente da origem para tubos de maior diâmetro. No entanto, todos os tubos de um número NPS específico têm o mesmo diâmetro externo (DE). O diâmetro interno variará dependendo da espessura da parede do metal. A razão para isso é para que os mesmos suportes estruturais possam ser usados para toda tubulação de um número NPS específico independentemente da espessura da parede.

Schedules (Programações)

Schedules de tubos de aço são uma forma de descrever a espessura da parede do tubo. Este é um parâmetro crítico pois está diretamente relacionado à resistência do tubo e adequação para aplicações específicas. Um schedule de tubo é um número adimensional e é calculado baseado na fórmula de projeto para espessura de parede, dada a pressão de projeto e tensão permitida.

Exemplos de números de schedule são: 5, 5S, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 120, 140, 160, STD, XS e XXS — sendo os mais comuns schedules 40 e 80. Conforme o número de schedule aumenta, a espessura da parede do tubo aumenta. O número de schedule de um tubo portanto define o diâmetro interno, já que o DE é fixado pelo número NPS.

Peso do tubo

O peso de um tubo pode ser calculado baseado no NPS, que define o diâmetro externo, e no schedule, que define a espessura da parede. A fórmula usa o peso teórico do aço de 40,8 libras por pé quadrado por 1 polegada de espessura para determinar a constante.

W = 10,69 x t (DE – t)

Onde:

W = peso (em libras por pé)
DE = diâmetro externo
t = espessura

A tabela a seguir do Engineering Toolbox mostra as medidas de DE, espessura da parede e peso para tubos de diferentes NPS. Medidas de schedule 40 e schedule 80 são mostradas.

Schedule 40		Schedule 80		Tamanho Nominal do Tubo
Diâmetro Externo (pol)	Espessura Nominal (pol)	Diâmetro Interno (pol)	Peso (lb/pé)	Diâmetro Interno (pol)	Espessura Nominal (pol)	Peso (lb/pé)
0,405	0,270	0,070	0,240	0,220	0,100	0,310
0,540	0,360	0,090	0,420	0,300	0,120	0,540
0,675	0,490	0,090	0,570	0,420	0,130	0,740
0,840	0,620	0,110	0,850	0,550	0,150	1,000
1,050	0,820	0,110	1,130	0,740	0,150	1,470
1,315	1,050	0,130	1,680	0,960	0,180	2,170
1,660	1,380	0,140	2,270	1,280	0,190	3,000
1,900	1,610	0,150	2,720	1,500	0,200	3,650
2,375	2,070	0,150	3,650	1,940	0,220	5,020
2,875	2,470	0,200	5,790	2,320	0,280	7,660
3,500	3,070	0,220	7,580	2,900	0,300	10,300
4,000	3,550	0,230	9,110	3,360	0,320	12,500
4,500	4,030	0,240	10,790	3,830	0,340	14,900
5,563	5,050	0,260	14,610	4,810	0,380	20,800
6,625	6,070	0,280	18,970	5,760	0,430	28,600
8,625	7,980	0,320	28,550	7,630	0,500	43,400
10,750	10,020	0,370	40,480	9,560	0,590	64,400
12,750	11,940	0,410	53,600	11,380	0,690	88,600
14,000	13,130	0,440	63,000	12,500	0,750	107,000
16,000	15,000	0,500	78,000	14,310	0,840	137,000
18,000	16,880	0,560	105,000	16,130	0,940	171,000
20,000	18,810	0,590	123,000	17,940	1,030	209,000
24,000	22,630	0,690	171,000	21,560	1,220	297,000

Baseado na ASTM A53 - Especificação Padrão para Tubo, Aço, Preto e Imerso a Quente, Zincado, Soldado e Sem Costura.

Certificação

Fabricantes emitem um Relatório de Teste de Material, ou Relatório de Teste de Usina, para validar que o produto atende à especificação de análise química e propriedades mecânicas. O MTR conterá todos os dados relevantes ao produto e acompanhará o produto através de seu ciclo de vida.

Os seguintes são parâmetros típicos que podem ser registrados em um MTR:

• Composição química incluindo teor de carbono, ligas e enxofre
• Tamanho do material, peso, identificação e grau
• Número de calor do material, que remonta ao lote de processamento
• Propriedades mecânicas como resistência à tração, resistência ao escoamento e alongamento

Para bolardos de aço, as especificações mais comuns citadas são ASTM A53 e ASTM A500.

Como a Reliance Foundry usa tubos de aço?

A Reliance Foundry fornece bolardos de tubo feitos de tubos de aço. Bolardos são comprimentos de tubo verticais instalados no solo para proteger pessoas, edifícios e infraestrutura circundante de colisões de veículos.

Bolardos de tubo de aço devem conformar-se a especificações de segurança para garantir que são fortes o suficiente para resistir ao impacto de colisões de veículos. Schedule 40 e schedule 80 de aço podem ser usados para fazer bolardos de tubo de aço dependendo da aplicação.

Bolardos de tubo de aço são frequentemente cobertos com aço inoxidável, plástico ou outras coberturas decorativas de metal para apelo estético e para proteger o tubo de aço da corrosão.