Processos de Fabricação de Tubos de Aço Soldados: Tipos de Costura e Dimensões

Tubos de aço são tubos longos e ocos usados principalmente para transportar fluidos ou produtos fluidificados de um local para outro. Eles são produzidos principalmente por dois processos de produção distintos que resultam em tubo soldado ou tubo sem costura.

Tubos de aço soldados são produzidos com costura longitudinal ou espiral (helicoidal). Os diâmetros destes tubos variam de cerca de 6 mm a 2.500 mm com espessuras de parede na faixa de 0,5 mm a cerca de 40 mm.

O material de partida para a produção de tubos soldados é produto plano laminado que, dependendo do processo de produção do tubo, dimensões do tubo e aplicação, pode ser tira/skelp laminada a quente (LQ) ou a frio (LF), e tira larga ou chapa laminada a quente. Este material de partida pode ser formado em forma de tubo em condição quente ou fria. O processo de conformação pode ser contínuo ou de formação de tubo único.

No processo de formação contínua de tubos, material de tira desenrolado é retirado de um acumulador, com a extremidade inicial e a final de bobinas consecutivas sendo soldadas juntas. No processo de formação de tubo único, a operação de formação e soldagem do tubo é realizada em comprimento de tubo único.

Processos de Soldagem

Existem dois tipos de processos de soldagem usados principalmente para produção de tubos soldados: (i) processos de soldagem por pressão, e (ii) processos de soldagem por fusão. Os processos de soldagem por pressão comumente usados são: (i) processo de soldagem por pressão, ex: processo Fretz-Moon, (ii) soldagem por resistência elétrica CC (corrente contínua), (iii) soldagem por resistência elétrica de baixa frequência (BF), (iv) soldagem por indução de alta frequência (AF), e (v) soldagem por condução de alta frequência. Os processos de soldagem por fusão comumente usados são: (i) soldagem a arco submerso (SAS), e (ii) soldagem com gás de proteção.

Processos de Soldagem por Pressão

Processo Fretz-Moon

O popular processo de soldagem por pressão é o processo Fretz-Moon.

Fretz-Moon é o nome do inventor do processo. Neste processo, tira de aço na forma de tira contínua é aquecida à temperatura de soldagem em uma linha de conformação e soldagem. Os rolos formam continuamente a tira em um tubo de costura aberta. Após isso, as bordas de acoplamento são pressionadas juntas e soldadas por um processo baseado na técnica de soldagem de forja. Tubos de 40 mm a 115 mm de diâmetro externo (DE) podem ser produzidos por este método. A velocidade de soldagem varia de 200 m/min a 100 m/min, respectivamente.

Atualmente, o tubo contínuo da planta Fretz-Moon é alimentado diretamente a um laminador de redução por estiramento. Este laminador é fornecido na linha de saída para laminar o tubo do mesmo calor a vários diâmetros até cerca de 13 mm. O tubo é então cortado em comprimentos individuais para colocação nos leitos de resfriamento. Esta combinação fornece a vantagem de que a planta Fretz-Moon pode ser usada para um único diâmetro de tubo constante, eliminando assim trabalhos custosos de troca e reajuste de rolos.

Bobinas LQ são usadas como material de partida. As bobinas são desenroladas em alta velocidade e a tira é armazenada em acumulador de loop. O material armazenado atua como buffer durante o processo de produção contínua. Isso permite que a extremidade final da tira em execução seja soldada topo a topo à extremidade inicial da tira da próxima bobina. A tira contínua é então levada a um forno túnel onde é aquecida a uma alta temperatura. Queimadores dispostos lateralmente aumentam a temperatura nas bordas da tira a uma temperatura de soldagem que é cerca de 100 °C a 150 °C maior que a temperatura prevalecente no centro da tira. A gaiola de formação rola continuamente a tira de entrada em um tubo de costura aberta, a circunferência da qual é ligeiramente reduzida (cerca de 3%) na gaiola de soldagem por compressão downstream. A gaiola de soldagem é deslocada em 90 graus em relação à gaiola anterior. A gaiola de soldagem produz a pressão de upset que faz com que as bordas sejam pressionadas juntas e soldadas. A estrutura de solda é ainda mais comprimida nas gaiolas de rolos redutores downstream, novamente deslocadas em 90 graus. Estas gaiolas de rolos redutores dimensionam o tubo. Caso não haja laminador de redução por estiramento, uma serra voadora localizada downstream corta o tubo contínuo em comprimentos individuais. Estes tubos cortados são transportados via leito de resfriamento para a seção de acabamento de tubos.

Processos de Produção de Tubos ERW

Tanto a corrente contínua (CC) quanto a corrente alternada (CA) são usadas para produção de tubos ERW. Nos processos de soldagem CA, corrente BF ou AF é usada.

Processo CC

O processo CC emprega o efeito de quase corrente contínua (sistema de onda quadrada). A principal característica de um soldador de onda quadrada é que apenas alta tensão/baixa corrente é usada até que o ponto de solda seja atingido. Eletricamente, a principal diferença entre CC e onda quadrada é que a corrente de linha é retificada (através de um retificador de onda completa) sem passar por um transformador abaixador. O processo CC é usado para soldagem longitudinal de tubos pequenos até 20 mm DE (30 mm DE em casos especiais), com espessuras de parede variando de 0,5 mm a 2 mm. Tira LF é usada como material de partida para este processo devido aos requisitos de tolerância.

A vantagem da soldagem CC comparada aos métodos de soldagem BF e AF é o acabamento liso da passagem interna com pequeno reforço (rebarba). Isso é importante quando o tubo precisa de uma solda interna lisa e onde não é possível remover o flash de soldagem (exemplo: tubos de trocadores de calor).

A faixa de aplicação para o processo CC é limitada pela potência elétrica que pode ser transmitida pelos eletrodos de disco usados no processo. A velocidade de soldagem obtida no processo varia de 50 m/min a 100 m/min. Tubos produzidos pelo processo CC são normalmente submetidos a redução a frio por estiramento subsequentemente. Devido a isso, a espessura do corpo principal do tubo é aumentada ligeiramente mais do que a da zona de solda, resultando em tubo mostrando virtualmente nenhuma protrusão interna de solda.

Processo BF

No processo BF, a soldagem é feita com CA na faixa de frequência entre 50 Hz a 100 Hz. Um eletrodo consistindo de dois discos isolados de uma liga de cobre (Cu) é usado não apenas para o fornecimento de energia, mas também como ferramenta de conformação e elemento que gera a pressão de soldagem necessária. O processo é usado para produzir tubos soldados longitudinalmente na faixa de diâmetro de 10 mm a 115 mm a velocidades de soldagem de até 90 m/min, dependendo da espessura da parede.

Os eletrodos são o componente crítico do processo, pois devem ser providos de um sulco que corresponda ao diâmetro do tubo sendo produzido. Além disso, este sulco deve ser constantemente monitorado quanto a desgaste durante a operação.

O material durante o processo de soldagem por pressão forma um flash interno e externo ao longo da zona de solda que deve ser removido em linha downstream por aparadores internos e externos. O processo pode produzir soldas de alto grau de perfeição, sujeito ao processo ser cuidadosamente monitorado para atender aos vários requisitos.

Processos AF

O processo de soldagem por resistência elétrica AF para produção de tubos foi introduzido na década de 1960. O processo envolve aplicação de corrente alternada AF na faixa de 200 kHz a 500 kHz. As operações de conformação do tubo e entrada de energia são realizadas por unidades separadas. A tira é moldada em um laminador de formação por rolos ou em uma gaiola de rolos ajustável (formação de função natural) em um tubo de costura aberta para uma ampla gama de produtos de tubos. Estes incluem tubos de linha e tubos estruturais nas faixas de tamanho de cerca de 20 mm a 600 mm DE e faixa de espessura de parede de 0,5 mm a 16 mm, e bilhetes de tubo para um laminador de redução por estiramento downstream. O material de partida é tira larga de aço LQ ou skelp. Dependendo da dimensão do tubo e aplicação, e particularmente no caso de tubos de precisão, a tira de aço pode passar por uma operação de decapagem upstream, ou tira LF é usada. As bobinas são desenroladas em alta velocidade e a tira é armazenada em acumulador de loop. O material armazenado atua como buffer durante o processo de produção contínua. Isso permite que a extremidade final seja soldada topo a topo à extremidade inicial da tira da próxima bobina. A máquina de soldagem de tubos opera continuamente a uma velocidade variando de 10 m/min a 120 m/min, puxando a tira do acumulador de loop.

Formação por Rolos

O laminador de formação por rolos é usado para diâmetros de tubo até 600 mm no máximo. Normalmente consiste em 8 a 10 gaiolas de formação por rolos amplamente acionadas nas quais a tira é gradualmente moldada em estágios (1 a 7 gaiolas) em um tubo de costura aberta. As últimas três passadas (8-10 gaiolas) são geralmente passadas de acabamento que guiam o tubo de costura aberta em direção à mesa de soldagem (11). Os rolos de formação devem ser precisamente combinados com o diâmetro final do tubo. No caso de tubo de grande diâmetro, o processo de formação de função natural também pode ser aplicado.

As principais características de uma gaiola de formação por rolos são que um número de rolos de formação internos e externos não acionados, ajustáveis em uma ampla faixa de diâmetro de produto, são dispostos em uma linha de formação em forma de funil que dobra gradualmente a tira em forma de tubo de costura aberta. Apenas a gaiola de quebra na entrada e as gaiolas de passagem de acabamento na extremidade de saída são realmente acionadas.

Soldagem AF

O processo de soldagem usa simultaneamente pressão e calor para unir as bordas da tira da costura aberta sem o uso de material de adição. Rolos de compressão e pressão na gaiola de soldagem aproximam gradualmente as bordas do tubo de costura aberta e aplicam a pressão necessária para soldagem. Existem várias vantagens com o uso de energia elétrica CA AF como fonte de energia para gerar o calor necessário para o processo de soldagem. Como exemplo, tem a vantagem sobre a energia CA normal de gerar uma densidade de corrente (fluxo) muito alta sobre a seção transversal do condutor. Devido à sua AF, a corrente AF tem o efeito de construir um campo magnético no núcleo central do condutor. A resistência ôhmica do condutor é mais alta neste campo, de modo que o elétron segue o caminho de menor resistência na região da superfície externa do condutor (efeito pele). Portanto, a corrente flui ao longo das bordas da tira do tubo de costura aberta até o ponto em que as bordas da tira se juntam (ponto de solda), e a concentração resultante, promovida pela proximidade do condutor negativo, resulta em alto nível de utilização de energia. Abaixo do ponto de Curie (768 °C), a profundidade de penetração da corrente chega apenas a alguns centésimos de mm. Uma vez que o aço é aquecido acima desta temperatura, ele se torna não magnético e a profundidade de penetração da corrente sobe para vários décimos de milímetro em frequências na região de 450 kHz.

A corrente de soldagem pode ser introduzida na costura aberta tanto por meios condutivos usando contatos deslizantes quanto por meios indutivos usando bobinas de enrolamento único ou múltiplo. Consequentemente, faz-se uma distinção na nomenclatura entre soldagem por indução AF (AFI) e soldagem por condução AF. A soldagem por condução AF também é conhecida como processo 'Thermatool'.

Em tempos recentes, para acomodar pequenos lotes de produção, graus de aço de alta resistência e baixa liga (ARBL), e razões extremas de espessura de parede/diâmetro, um processo de formação de borda reta foi desenvolvido. Neste processo, em vez dos rolos de formação inferiores, bordas retas de rolos são usadas. Isso resultou em redução substancial no comprimento da linha de formação. Este processo pode formar tubos com razões de espessura de parede/diâmetro variando de 1:8 a 1:100.

O aumento da eficiência do laminador é alcançado pela redução do tempo de conversão de um tamanho de tubo para outro através da introdução do processo de ajuste de ferramentas centralizado (CTA). Todos os rolos da linha de formação são montados em uma viga e são ajustados através do processo CTA por um único motor. Isso significa que em toda a faixa de tamanhos, nenhuma troca de rolo de formação (ferramenta) é necessária. Isso resulta em redução considerável no tempo de conversão e ajuste de tamanho.

Antes da entrada da tira na seção de formação, a tira é endireitada e aparada a uma largura constante por um aparador longitudinal de bordas. As bordas cortadas podem ser adicionalmente biseladas para preparação de soldagem. A tira é então formada em um tubo de costura aberta e com a folga ainda relativamente larga, é alimentada através das gaiolas de passagem de acabamento para a mesa de soldagem. Os rolos de acabamento superiores, a largura dos quais é afilada em direção ao ponto de soldagem, determinam o ângulo de entrada da folga e controlam sua posição central na mesa de soldagem. Lá, as bordas da tira convergentes são empurradas uma contra a outra pelos rolos de compressão moldados e então soldadas por meio do processo de resistência elétrica AF. A corrente pode ser transferida tanto indutivamente através de uma bobina de indução disposta ao redor do tubo de costura aberta quanto condutivamente através de contatos deslizantes rodando ao redor do tubo de costura aberta.

As rebarbas externas e internas que ocorrem durante a soldagem por pressão de tubos com (DI de cerca de 30 mm e maiores), são normalmente aparadas por plainamento ou raspagem do material quando ainda está quente. O tubo é então arredondado e dimensionado entre duas a seis gaiolas de dimensionamento. Estas gaiolas são geralmente projetadas para redução circunferencial. O processo também causa efeito de endireitamento no tubo. A adição de uma unidade de dimensionamento por rolos de conformação multi-fios na seção de saída do tubo do laminador também pode permitir que o tubo redondo seja diretamente formado em perfis especiais.

A solda aparada é examinada através de ensaio não destrutivo e o tubo é cortado nos comprimentos desejados por uma máquina de corte voador. O corte do tubo pode ser feito por qualquer um dos métodos: (i) quebrando o tubo em uma zona estreita aquecida indutivamente, (ii) corte rotativo por lâminas tipo disco, ou (iii) por serras de desligamento a frio ou por fricção.

A solda por pressão AF pode ser deixada em sua condição soldada ou subsequentemente tratada termicamente na faixa de normalização, dependendo da aplicação do tubo. Recozimento indutivo parcial da solda também pode ser realizado no tubo contínuo, ou o tubo individual pode ser submetido a um tratamento térmico separado após seu corte no comprimento.

No processo de soldagem por indução AF, velocidades de soldagem de até 120 m/min podem ser obtidas, dependendo da espessura da parede e da aplicação. No processo de soldagem por condução AF, velocidades de soldagem de até 100 m/min podem ser alcançadas, dependendo da espessura da parede e da aplicação.

Processos de Soldagem por Fusão

Tubo de aço soldado por fusão é normalmente usado para produção de tubo de grande diâmetro para construção de dutos. Os processos de formação de tubo usados no caso de soldagem por fusão são: (i) processo de dobra de três rolos para formação de chapa, empregado como processo de formação a frio ou a quente, (ii) processo de prensa de conformação em C para formação a frio de chapa, (iii) processo de prensa de conformação em U e O para formação a frio de chapa, e (iv) processo de formação de tubo espiral para formação a frio de tira larga ou chapa.

Desses quatro processos, os dois últimos processos, a saber: (i) o processo de prensa de conformação em U e O para formação a frio de chapa, e (ii) o processo de formação de tubo espiral para formação a frio de tira larga ou chapa, são os processos frequentemente usados na maioria das instalações de produção atuais.

O processo de soldagem a arco submerso (SAS) ou uma combinação de soldagem de ponto com gás de proteção com SAS downstream é amplamente aceito como o método padrão para soldagem de tubo de grande diâmetro. Os processos de soldagem por fusão também são usados na produção de tubos soldados espiral e longitudinal de aços inoxidáveis de alta liga. O produto neste caso é na forma de tubo de parede fina na faixa de diâmetro de cerca de 10 mm a 600 mm. Além do processo TIG (soldagem a arco de tungstênio inerte) puro, vários métodos combinados de soldagem também são usados. Por exemplo, estes são soldagem a arco de plasma de tungstênio (TP) + TIG, TP + MIG (metal inerte gasoso), e TP + SAS.

Processo SAS

O processo SAS é um método de soldagem por fusão elétrica realizado com arco encoberto. Em comparação com soldagem a arco com eletrodos de soldagem, o arco no processo SAS é oculto sob um cobertor de escória e fluxo. Uma das características do processo SAS é sua alta taxa de deposição, que essencialmente decorre da alta intensidade de corrente aplicada combinada com um balanço térmico favorável.

O metal de adição usado toma a forma de arame de solda brilhante enrolado, que é alimentado continuamente no banho de metal líquido ditado pela taxa de deposição. Logo acima do metal base (tubo), a corrente de soldagem é conduzida pelos contatos deslizantes no eletrodo de arame e retornada através do cabo de aterramento conectado ao material do tubo.

O arco faz com que o arame de entrada e as bordas da costura aberta derretam. Uma parte do fluxo de soldagem alimentado continuamente também é derretida pelo calor do arco, fazendo com que forme uma cobertura líquida de escória que protege o banho de solda, o eletrodo de arame em fusão e o próprio arco de influências atmosféricas.

Além disso, o fluxo de soldagem também facilita a formação do cordão de solda e serve como doador de elementos de liga para compensar as perdas por fusão e oxidação. Em muitos casos, também é usado especificamente para ligar o metal de solda a fim de lhe conferir propriedades químicas e mecânicas específicas. Após o movimento do arco, a escória líquida, que é deixada para trás, solidifica. O fluxo de soldagem que não derrete é recuperado por extração a vácuo e reutilizado. A escória é facilmente removida uma vez solidificada. A composição química do eletrodo de arame e do fluxo de soldagem deve corresponder ao material sendo soldado. A soldagem SAS de tubos é normalmente feita pelo método de duas passadas (ou seja, primeira passada seguida por passada de vedação ou apoio) e é geralmente realizada com a passada interna primeiro seguida pela passada externa em segundo. Isso garante que as duas passadas se sobreponham suficientemente.

O resultado é uma solda por fusão que geralmente não precisa de nenhum tratamento térmico adicional. Soldagem com SAS pode ser feita tanto com CA quanto CC e em sistemas multi-arame onde uma combinação de CA e CC pode ser usada. A eficiência do processo SAS é dada pela taxa de metal de adição depositado por unidade de tempo (taxa de deposição). Como resultado, uma velocidade de soldagem muito alta é possível.

A taxa de deposição pode ser aumentada aumentando a corrente de soldagem. No entanto, devido à capacidade limitada de transporte de corrente do fluxo, o desempenho pode ser aprimorado em soldagem de arame único até uma entrada máxima de cerca de 1200 A. Qualquer aumento na taxa além deste limite precisa da implantação de vários eletrodos de arame. Isso então permite uma corrente total mais alta ser aplicada para o trabalho de soldagem sem o perigo da capacidade de transporte de corrente do fluxo ser excedida em qualquer dos eletrodos de arame individuais. Em operações práticas, desempenho aumentado é obtido usando configuração de soldagem multi-arame com 2, 3 ou 4 eletrodos. A maior taxa de deposição alcançada com soldagem multi-arame resulta em maior velocidade de soldagem sob condições práticas de soldagem.

Com o uso de fluxos de alto desempenho, o processo de soldagem de três arames é normalmente suficientemente eficiente para espessura de parede até 20 mm. No caso de espessuras de parede superiores a 20 mm, quarto arame é necessário para a manutenção da velocidade de soldagem e, assim, para alcançar a eficiência de produção. Um requisito para a aplicação custo-efetiva da soldagem multi-arame é que os parâmetros do processo devem ser otimizados para garantir o alcance confiável dos requisitos de qualidade especificados da solda. Na prática, velocidades de soldagem variando entre 1 m/min a 2,5 m/min podem ser alcançadas, dependendo do processo de soldagem, espessuras de parede e tipo de fluxo usado.

Soldagem a Arco com Gás de Proteção

Também é um processo de soldagem por fusão elétrica. Neste processo, o banho de solda é produzido pelos efeitos de um arco elétrico. O arco é bastante visível, pois queima entre o eletrodo e a peça de trabalho. O eletrodo, arco e banho de solda são protegidos contra a atmosfera por um gás de proteção inerte ou ativo que é constantemente alimentado na área de solda.

Os processos de soldagem a arco com gás de proteção são classificados de acordo com o tipo de eletrodos e gás usado. Estes são normalmente divididos em duas categorias principais: (i) soldagem a arco de tungstênio com gás (GTAW), nomeadamente TIG, TP, e THG (tungstênio hidrogênio gás), e (ii) soldagem a arco metálico com gás (GMAW), nomeadamente MIG, e MAG (metal ativo gás). Os processos principalmente usados para produção de tubos são TIG, MIG e MAG. Processos TIG e MIG são principalmente usados para produção de tubos de aço inoxidável. No processo TIG, o arco queima entre um eletrodo de tungstênio não fusível e a peça de trabalho. Qualquer metal de adição é alimentado principalmente sem qualquer entrada CC. O gás de proteção flui de um bico de gás e protege o eletrodo, metal de adição e o banho líquido de contato com o ar atmosférico.

O gás de proteção é inerte, normalmente argônio (Ar), hélio (He), ou uma mistura destes gases. Nos processos MIG e MAG, em contraste com o processo TIG, o arco queima entre a peça de trabalho e um eletrodo consumível fusível que fornece o metal de adição. O gás de proteção usado na soldagem MIG é inerte, normalmente Ar, He, ou uma mistura destes gases. No caso do processo de soldagem MAG, o gás de proteção é ativo e consiste em CO2 puro (dióxido de carbono), ou de uma mistura de gás composta por CO2, Ar e O2 (oxigênio). O processo MAG é cada vez mais usado para soldagem de ponto na produção de tubos soldados longitudinal e espiral de grande diâmetro. A solda de ponto também serve como apoio do banho de solda para o subsequente processo SAS. Os requisitos de uma solda ótima são preparação precisa de borda (junta topo a topo duplo V com faces de raiz largas), e uma boa solda de ponto contínua. Na produção de tubos de grande diâmetro, as velocidades de soldagem para a solda de ponto variam de cerca de 5 m/min a 12 m/min.

Produção de Tubo Soldado Longitudinal (Processo U/O)

As chapas usadas para tubos soldados longitudinalmente são formadas em prensas com matrizes abertas para operações de conformação em U e matrizes fechadas para operações de conformação em O. O processo também é chamado de processo de formação UOE (U, O e expansão) e é usado para a produção de tubo soldado longitudinalmente de grande diâmetro em comprimentos individuais até 18 m. Plantas modernas usando este processo são projetadas para diâmetro de tubo variando de cerca de 400 mm a 1.620 mm, e espessuras de parede variando de 6 mm a 40 mm. O material de partida é chapas de aço.

No início do processo de soldagem, abas de entrada e saída são soldadas nas chapas planas para garantir que os fenômenos de entrada e saída associados ao processo SAS ocorram fora do metal do tubo. Antes da chapa ser dobrada em um tubo de costura aberta pelos vários estágios e prensas de formação usadas, as duas bordas longitudinais passam por usinagem por uma máquina plainadora para garantir que sejam paralelas. O bisel de soldagem necessário para a espessura da chapa em questão também é cortado.

No primeiro estágio de formação, a chapa é estampada na área de suas bordas longitudinais. A razão de dobra corresponde aproximadamente ao diâmetro do tubo de costura aberta. A estampagem é realizada em prensas de formação especiais. No segundo estágio, a chapa é dobrada em forma de U em uma operação envolvendo uma ferramenta de raio circular empurrando a chapa para baixo entre dois suportes. Perto do final da operação, a distância entre os suportes é reduzida para aplicar um pequeno grau de sobredobra para contrabalancear o efeito de retorno elástico. Na terceira operação de formação, a forma de U é colocada na prensa de conformação em O para produzir em uma única operação o tubo de costura aberta redondo.

Os processos de formação realizados nas prensas de conformação em U e em O são coordenados de forma a garantir que o efeito de retorno elástico seja efetivamente contrabalanceado e o tubo de costura aberta seja o mais circular possível com as bordas longitudinais alinhadas. Estas operações precisam de altas cargas de prensa.

As bordas da costura aberta são então pressionadas juntas (eliminando qualquer desalinhamento) em gaiolas de soldagem de ponto, normalmente projetadas na forma de gaiolas de rolos, e então unidas por uma costura contínua depositada por máquinas de soldagem MAG automáticas. Dependendo da espessura dos tubos, as velocidades de soldagem aplicadas podem estar na faixa de 5 m/min a 12 m/min.

Os tubos soldados de ponto são então transportados por uma mesa de rolos e sistema de distribuição para as gaiolas SAS, onde, em linhas separadas, são fornecidos primeiro com a passada interna e depois com a passada externa. Estas passadas são depositadas movendo o tubo em um carro sob uma cabeça de soldagem estacionária. Para a passada interna, a cabeça de soldagem é montada em um braço que se estende dentro do tubo. Para prevenir a possibilidade de desalinhamento de solda, tanto as cabeças externa quanto interna são continuamente monitoradas e controladas para alinhamento perfeito à linha central da solda. Qualquer dos processos SAS multi-arame pode ser usado, dependendo das dimensões do tubo (diâmetro e espessura de parede). Após a soldagem, os tubos são enviados para a seção de acabamento.

Os tubos após a soldagem normalmente não satisfazem os requisitos de tolerância com relação a diâmetro e redondeza. Portanto, no departamento de acabamento, os tubos passam por uma inspeção completa e são dimensionados por expansão a frio. Esta operação é realizada por expansores mecânicos ou hidráulicos. A quantidade de expansão aplicada é de cerca de 1%, e este valor é considerado ao determinar a circunferência inicial do tubo de costura aberta. O processo de produção é concluído no departamento de acabamento com a usinagem das extremidades do tubo e realização de qualquer retrabalho necessário.

Os tubos são submetidos a teste hidrostático antes da operação de usinagem das extremidades. Em seguida, um exame ultrassônico (US) final é realizado sobre todo o comprimento da zona de solda. Indicações reveladas por este exame US automático e também as regiões de solda nas extremidades dos tubos são verificadas adicionalmente por inspeção por raios X. Todas as extremidades dos tubos também são inspecionadas por US para laps e laminação.

Produção de Tubos Espirais

Os tubos espirais também são conhecidos como tubos de costura helicoidal. Durante a produção de tubos espirais, a tira ou chapa a quente é continuamente moldada em um tubo por uma instalação de formação espiral aplicando um raio de dobra constante, com as bordas da tira de encontro também sendo continuamente soldadas em linha.

Em comparação com a produção de tubos soldados longitudinalmente, na qual cada diâmetro de tubo precisa de uma certa largura de tira, a produção de tubos espirais é caracterizada pelo fato de que tubos com diferentes diâmetros podem ser produzidos a partir de uma única largura de tira. Isso ocorre porque o ângulo de entrada da tira à medida que é alimentada à unidade de formação pode ser alterado. Quanto menor este ângulo de entrada, maior o diâmetro do tubo a partir da mesma tira. A razão técnica ótima entre o diâmetro do tubo e a largura da tira varia de 1:2 a 1:2,2. Existe dependência matemática entre ângulo de alimentação, largura da tira e diâmetro do tubo que se aplica no caso de produção de tubos espirais.

A faixa de diâmetros de tubos produzidos pela tecnologia de soldagem espiral está na faixa de cerca de 500 mm a 2.500 mm. O material de partida usado para produção de tubos soldados espirais é normalmente tira larga LQ com espessuras de parede até 20 mm. Para espessuras de tubo superiores a 20 mm, chapas em comprimentos individuais até 30 m são geralmente necessárias.

Existem dois tipos de instalações associadas à produção de tubos espirais. Estas instalações podem consistir em: (i) linha integrada de formação e processamento SAS de tubos, e (ii) linhas separadas de formação e processamento SAS de tubos.

Linha Integrada de Formação e Soldagem SAS

A linha integrada de formação e soldagem SAS é a instalação de produção convencional para produção de tubos espirais. Neste tipo de instalação, o processo de produção consiste em: (i) um estágio de preparação da tira, e (ii) uma operação de formação de tubo combinada com unidade SAS de passada interna e externa simultânea. Além de soldar as tiras juntas, o estágio de preparação da tira também endireita a tira e a apara à largura exata. As bordas da tira precisam ser usinadas com precisão dentro de tolerâncias apertadas, e uma estampagem de borda definida também precisa ser realizada para evitar formação impermissível de rebarba/pico se a formação do tubo for bem-sucedida.

A tira sendo alimentada do desenrolador é unida à extremidade final na bobina anterior pelo processo SAS. A solda é depositada ao longo da face que mais tarde vai formar a superfície interna do tubo. A passada SAS externa é depositada em uma linha separada no tubo acabado. A tira então passa por um laminador de endireitamento e é cortada a uma largura constante por um aparador de bordas. Dispositivo adicional também bisela as bordas em preparação para a operação principal de soldagem SAS. Antes da entrada na seção de formação, as bordas da tira são estampadas para evitar formação de rebarba/pico na junção.

Na linha integrada, o estágio de preparação da tira é imediatamente seguido pelo processo de formação com soldagem interna e externa simultânea pelo processo SAS. Uma unidade de rolo de pinça alimenta a tira em um ângulo de entrada predeterminado na seção de formação da máquina.

O objetivo da seção de formação é dobrar a tira exatamente preparada de largura 'A' em um certo ângulo de alimentação em um tubo cilíndrico de diâmetro 'D' de acordo com as relações matemáticas.

Existem muitos métodos de formação usados para produzir tubos de solda espiral. Além do método de sapato direto que tem suas limitações, as duas principais técnicas de soldagem espiral normalmente usadas são: (i) dobra de três rolos com gaiola de rolos de diâmetro interno, e (ii) dobra de três rolos com gaiola de rolos de diâmetro externo. Em um sistema de dobra de três rolos, vários rolos individuais e guias são usados em vez de um único rolo de formação.

A gaiola de rolos serve para fixar o eixo do tubo e maximizar a redondeza do tubo a fim de garantir convergência livre de desalinhamento das bordas da tira no ponto de soldagem. Isso facilita a obtenção de dimensões precisas do tubo, de modo que o tubo saindo da máquina já é produzido dentro das tolerâncias padronizadas de diâmetro, redondeza e retidão. Portanto, expansão/dimensionamento dos tubos após a soldagem não é necessário.

Na máquina de formação espiral e SAS, as bordas da tira convergentes são primeiro soldadas internamente por volta da posição das 6 horas e, então, meia volta do tubo adiante, soldadas externamente na posição das 12 horas. Alinhamento da cabeça de soldagem à linha central da solda e controle de folga são realizados automaticamente.

A corda de tubo produzida é subsequentemente cortada no comprimento por um dispositivo de desligamento voador. O tubo individual é então enviado para a seção de acabamento onde o processo de produção é concluído pela usinagem das extremidades do tubo e pela realização de qualquer retrabalho. Antes da usinagem das bordas do tubo, um teste hidrostático é conduzido no tubo. Toda a região de solda é então inspecionada por US, com a zona de solda nas extremidades dos tubos também examinada por raios X. Além disso, cada tubo é inspecionado por US sobre toda sua circunferência para laps/laminação. Se necessário, a zona de solda e o metal base também são inspecionados por US antes do teste hidrostático.

A produtividade deste processo é determinada pela velocidade da operação SAS. A formação do tubo é normalmente capaz de taxas de produção substancialmente mais altas. Para utilizar a eficiência da seção de formação de tubos espirais, as plantas agora são projetadas com base em linhas separadas de formação e SAS. Em tais plantas, a linha de formação apresenta uma instalação de soldagem de ponto que tem capacidade de velocidade de produção correspondente à velocidade da linha de formação. A linha SAS realiza a soldagem de costura off-line em um número de várias gaiolas de soldagem separadas que correspondem à produtividade da linha de formação.

Linhas Separadas de Formação e Soldagem SAS

A principal característica de plantas com linhas separadas de formação e soldagem SAS é que existem duas unidades de produção independentes consistindo de: (i) formação de tubo com soldagem de ponto interna, e (ii) operações SAS interna e externa em gaiolas de soldagem separadas.

Além da maior eficiência de custo de tal planta alcançada devido à operação de formação e soldagem de ponto mais rápida, há também vantagens técnicas de separar as duas operações. Estas vantagens são que ambas as operações podem ser individualmente otimizadas.

Na seção de formação de tubo espiral, as bordas da tira em fusão (uma na seção de tubo já formada e a segunda na tira de entrada) são continuamente unidas pela soldagem de ponto interna. O processo de soldagem de ponto é realizado por soldagem MAG a uma velocidade de 12 m/min na região da posição das 6 horas. CO2 é normalmente usado como gás de proteção. As bordas da solda abaixo da posição de soldagem correm com virtualmente nenhuma folga sobre um rolo guia rigidamente fixo.

Um dispositivo de desligamento corta a corda de tubo soldado de ponto nos comprimentos individuais requeridos. Este processo de corte de tubo é a última operação realizada na linha de formação espiral. Como a velocidade de soldagem de ponto é alta, é necessário usar tocha de plasma de alta velocidade operando com injeção de água no lugar de tocha oxi-acetileno convencional. Os tubos cortados no comprimento são enviados para a operação SAS downstream que é realizada em gaiolas SAS combinadas de duas passadas para soldagem final.

Uma mesa de rolos especial gira o tubo em preciso acordo com sua junta espiral, permitindo assim que as cabeças SAS realizem primeiro a soldagem interna e depois a soldagem externa. Controle preciso de alinhamento da linha central da solda das cabeças de soldagem interna e externa é necessário nesta operação para minimizar desalinhamento de solda. Os métodos de dois arames ou três arames são usados para as operações de soldagem de passada interna e externa.

Além de algumas modificações, os estágios subsequentes de produção como usinagem de extremidades de tubo, teste hidrostático, bem como ensaios não destrutivos e testes mecânicos são em princípio os mesmos usados nas linhas integradas de soldagem espiral. Os feedbacks destes testes e inspeções são imediatamente dados aos estágios individuais de produção a fim de garantir otimização contínua da qualidade do produto.