Tubo senza saldatura API 5L PSL2 X60Q: proprietà e saldabilità

In cosa si impegna la cartiera "PSL 2 X60Q Seamless".

La designazione API 5L PSL 2 X60Q seamless contiene quattro impegni separati e ognuno di essi può essere perso indipendentemente. X60 fissa la classe di resistenza a una resa minima di 60 000 psi, nota come L415 nelle tabelle SI. PSL 2 aumenta il controllo chimico, aggiunge una prova di impatto Charpy obbligatoria, richiede esami non distruttivi e accompagna il certificato con una registrazione completa della produzione. Il suffisso Q indica che il tubo è stato raffreddato e rinvenuto dopo la formatura anziché normalizzato o laminato termomeccanicamente. Senza saldatura si intende che il tubo non ha cordoni di saldatura, quindi l'intera parete è prodotta dalla deformazione a caldo di una billetta forata.

La combinazione è importante perché il suffisso Q su un tubo senza saldatura è un'operazione di finitura applicata al tubo finito, non una proprietà della produzione dell'acciaio. Un laminatoio senza saldatura perfora, arrotola e dimensiona prima il tubo, quindi lo riscalda nuovamente alla temperatura di austenizzazione, lo tempra dentro e fuori e lo tempra nuovamente alla banda di resistenza richiesta. Le proprietà meccaniche dipendono quindi dalla linea di trattamento termico tanto quanto dalla chimica, e un certificato che riporti l'analisi corretta ma un valore di durezza in cima alla fascia sta dicendo all'acquirente qualcosa sulla pratica del rinvenimento.

Chimica del percorso estinto e temperato a X60

Il percorso Q raggiunge una resa minima di 415 MPa attraverso una trasformazione martensitica piuttosto che attraverso il solo contenuto di lega, quindi la chimica è volutamente snella. Il carbonio è limitato a un livello basso per proteggere la tenacità e la saldabilità, il manganese è aumentato per garantire la temprabilità e le aggiunte di microlega sono limitate come gruppo piuttosto che individualmente.

Poiché il limite combinato di niobio, vanadio e titanio è un unico limite, un calore può soddisfare ogni colonna di elementi ed essere comunque al di fuori delle specifiche sulla somma. Vale la pena verificarlo sul certificato, poiché la somma è esattamente il punto in cui andrà alla deriva uno stabilimento con un processo marginalmente capace.

Il limite dello zolfo merita un'attenzione separata. Allo 0,015% massimo l'acciaio è pulito secondo gli standard ingegneristici generali, ma per il servizio umido e acido non è automaticamente abbastanza pulito, perché le inclusioni allungate di solfuro di manganese sono i siti di inizio della fessurazione indotta dall'idrogeno. Laddove la linea trasporterà gas umido contenente idrogeno solforato, il percorso standard prevede l'utilizzo di acciaio trattato con calcio, con forma di inclusione controllata, con un limite di zolfo ben al di sotto del limite generale, valutato mediante esame ultrasonico della striscia o della piastra.

L'operazione di tempra e rinvenimento su tubi senza saldatura

Il tubo senza saldatura viene raffreddato facendolo passare attraverso un anello di getti d'acqua esterni mentre una lancia eroga acqua al foro, in modo che entrambe le superfici si trasformino a una velocità simile. Il requisito è una velocità di raffreddamento superiore alla velocità critica in tutta la parete, che diventa progressivamente più difficile da raggiungere con l’aumentare dello spessore della parete. Una parete da 12 mm si raffredda uniformemente senza difficoltà; una parete di 40 mm necessita di alta pressione, flusso elevato e una superficie pulita e priva di incrostazioni, poiché le incrostazioni agiscono come uno strato isolante e producono zone morbide che successivamente si manifestano come durezza locale e dispersione di resistenza.

Segue immediatamente il rinvenimento, nella fascia compresa tra 550 e 680 gradi Celsius, a seconda della resistenza target e della parete, seguito dal raffreddamento ad aria. La temperatura di rinvenimento è l'unica variabile utilizzata per orientare il risultato nella finestra di resa compresa tra 415 MPa e 565 MPa e viene registrata nel registro di produzione. Dall'esterno sono visibili due scelte di processo: un mulino che tempra a bassa temperatura per raggiungere rapidamente la resistenza minima produrrà tubi vicino alla parte superiore della fascia di durezza con tenacità ridotta, mentre un mulino che tempra a una temperatura più elevata e si affida alla chimica per mantenere la resistenza produce tubi con risultati di impatto migliori e minore dispersione.

Per l’acquirente la prova pratica è la coerenza. I risultati di durezza e trazione di diversi tubi dello stesso calore e dimensione dovrebbero essere strettamente raggruppati; un'ampia dispersione indica un raffreddamento non uniforme, un forno di rinvenimento con un profilo di temperatura scarso o entrambi.

Resistenza, rapporto snervamento/trazione e allungamento

I limiti superiori non sono decorativi. Un tubo bonificato che atterra a una resa di 590 MPa non rientra nella classe, anche se è più resistente del minimo, poiché la resistenza extra modifica la distribuzione della deformazione tra il tubo e la saldatura circolare. In una linea progettata per condizioni basate sulla deformazione, il limite massimo del rapporto di 0,93 è ugualmente vincolante e alcuni progetti lo restringono ulteriormente.

L'allungamento viene calcolato dall'area della sezione trasversale applicabile del provino e dalla resistenza a trazione minima specificata del grado, quindi arrotondato per difetto. Poiché il calcolo dipende dalle dimensioni del campione, i minimi di allungamento indicati differiscono tra i laboratori che utilizzano campioni diversi per lo stesso grado e il certificato deve essere letto insieme alle dimensioni del campione anziché come numero assoluto.

Dimensioni, tolleranze e finitura finale

I tubi senza saldatura presentano tolleranze intrinsecamente più ampie rispetto ai tubi saldati, poiché lo spessore della parete è formato dal rotolamento su un mandrino anziché da uno spessore controllato della striscia. La norma fissa la fascia di tolleranza della parete a circa meno 12,5% e più 15% per i prodotti senza giunzioni, e la fascia di diametro si restringe man mano che il livello delle specifiche del prodotto aumenta. Per tubi senza saldatura di medie dimensioni al livello 2, la tolleranza del diametro è dell'ordine di tre quarti dell'1% del diametro esterno e l'ovalità è limitata in funzione del rapporto diametro/parete.

Eccentricità del muroè il punto debole che definisce il percorso senza soluzione di continuità. Una parete nominale di 12,7 mm può estendersi per 11,1 mm su un lato e 14,6 mm sull'altro ed essere ancora all'interno della banda di tolleranza. Se il tubo deve essere lavorato internamente o se la parete minima determina la pressione nominale, l'acquirente dovrebbe ordinare un'eccentricità limitata o una parete minima anziché accettare la fascia standard.

Lunghezzaviene normalmente fornito nella gamma fino a circa 12,2 m, con lunghezze casuali nella finestra da 5,8 m a 12 m che rappresentano la configurazione più economica.

Finiscevengono forniti con estremità liscia, smussata per la saldatura circonferenziale o filettata dove l'applicazione lo richiede. La geometria dello smusso dovrebbe seguire la procedura di saldatura del progetto piuttosto che un'impostazione predefinita della fresatrice.

Rettilineitàè limitato come una frazione di lunghezza; I tubi senza saldatura a parete sottile di grande diametro possono piegarsi durante la tempra, pertanto il controllo della rettilineità è un vero e proprio punto di accettazione piuttosto che una formalità.

La prova di appiattimento è richiesta sui tubi senza saldatura entro limiti dimensionali definiti al livello 2 delle specifiche di prodotto ed è un utile indicatore della duttilità circonferenziale che una prova di trazione nella direzione longitudinale non rivela.

Tenacità, prove ed esami non distruttivi

Il livello 2 richiede il test Charpy con intaglio a V del corpo del tubo, riportato come la media di un set di tre campioni a una temperatura stabilita, con un minimo definito per ogni singolo campione. Per il progetto viene concordata la temperatura di prova: 0 gradi Celsius è comune per il servizio ambientale e vengono specificate temperature più basse dove la linea funzionerà a freddo. La struttura bonificata fornisce una temperatura di transizione inferiore rispetto a una struttura normalizzata della stessa resistenza, che è il principale argomento metallurgico a favore del pagamento del percorso Q.

Poiché non è presente alcuna cucitura, l'esame non distruttivo si concentra sul corpo. L'esame a ultrasuoni secondo ISO 10893-10 o ASTM E213 è il metodo standard, con l'accettazione dichiarata come livello di gravità anziché lasciata aperta. Il test idrostatico è obbligatorio e la pressione viene calcolata dalla relazione di sollecitazione del cerchio nello standard, con la sollecitazione del cerchio consentita presa come percentuale del carico di snervamento minimo specificato.

Laddove il tubo venga utilizzato in un ambiente acido, la prova fondamentale è un'indagine di durezza anziché una prova di trazione. Gli acciai al carbonio per servizio acido sono normalmente limitati a 250 HV10, controllati attraverso la parete e in qualsiasi punto interessato da lavorazione a freddo o da riparazione, e i punti di rilevamento dovrebbero essere concordati in anticipo in modo che la regola di accettazione sia univoca.

Saldatura sul campo e addolcimento delle zone interessate dal calore

La saldabilità dell'X60Q è buona nel senso che il carbonio equivalente è basso e i requisiti di preriscaldamento sono modesti, ma ha un punto debole specifico che il tubo normalizzato o laminato termomeccanicamente non condivide: la zona termicamente alterata si ammorbidisce. Il rinvenimento che conferisce robustezza al tubo viene parzialmente annullato dal ciclo termico di saldatura e accanto alla linea di fusione si forma una fascia di ridotta durezza. Il risultato non è una fessurazione ma un avvallamento di resistenza locale, che sotto carico basato sulla deformazione diventa il luogo in cui si concentra la deformazione.

Qualificare la procedura di saldatura in base alle effettive condizioni di consegna, utilizzando la norma ISO 15614-1 o il codice di progetto applicabile, con valori di durezza attraverso la saldatura, la linea di fusione ed entrambe le zone interessate dal calore.

Controllare l'apporto di calore in una finestra definita. Un eccessivo apporto di calore allarga la zona ammorbidita; troppo poco aumenta la durezza e il rischio di cracking da idrogeno.

Utilizzare materiali di consumo a basso contenuto di idrogeno con cottura e manipolazione documentate e specificare la classe di idrogeno nella procedura.

Non applicare per abitudine trattamenti termici post-saldatura. Una distensione prossima alla temperatura di rinvenimento originale ammorbidirà il corpo del tubo e la saldatura e la decisione dovrebbe seguire la qualificazione della procedura piuttosto che la tradizione dell'officina.

Verificare che la resistenza dei consumabili di saldatura corrisponda al tubo nella condizione saldata piuttosto che nella condizione trattata termicamente dopo la saldatura, poiché a volte viene utilizzato un adattamento eccessivo per compensare l'ammorbidimento.

Per il servizio acido, la resistenza trasversale diventa un criterio di accettazione a 250 HV10 e la procedura di saldatura deve dimostrare che la zona rammollita non è accompagnata da una zona dura non temperata in altre parti del giunto.

Dove X60Q Seamless è la scelta giusta

Il caso dell'X60 bonificato senza saldatura si basa su tre proprietà che il tubo saldato non può eguagliare completamente: assenza di giunzioni, uniformità delle proprietà circonferenziali e capacità di resistere a un'elevata pressione interna in diametri da piccoli a medi con una parete pesante. Gli usi tipici sono linee di raccolta e trasmissione onshore ad alta pressione, tubazioni per stazioni e collettori, colonne montanti e brevi attraversamenti dove si preferisce un corpo continuo, linee di iniezione ad alta pressione e tubazioni di processo nel trattamento del gas dove la pressione di progetto e il carico acido indicano entrambi un grado di tubazione qualificato.

Gli argomenti a sfavore sono il costo e il diametro. Al di sopra di un diametro esterno di circa 610 mm, il percorso senza saldatura diventa antieconomico e subentra il tubo saldato longitudinalmente o con giuntura elicoidale, e in quelle dimensioni la resistenza equivalente viene normalmente raggiunta attraverso il percorso termomeccanico o saldato bonificato anziché senza saldatura.

Descrizioni errate a cui prestare attenzione

Le descrizioni secondarie di questo grado descrivono spesso il tubo come un prodotto zincato o trafilato a freddo, nessuno dei quali fa parte della designazione API 5L. Una finitura zincata è un rivestimento aggiuntivo applicato dopo la produzione e non è coperta dalle specifiche dei tubi; cambia lo stato superficiale e il procedimento di saldatura ma non il grado meccanico. La trafilatura a freddo è un'operazione di finitura dimensionale utilizzata per tubi meccanici, non un percorso per tubi di linea, e un tratto di tubo trafilato a freddo recante la marcatura X60Q dovrebbe indurre a richiedere la registrazione completa della produzione.

Vale la pena effettuare regolarmente due ulteriori controlli. Innanzitutto, verificare se la richiesta è per il livello 1 o il livello 2, poiché una tubazione di livello 1 può essere consegnata a fronte di una richiesta di livello 2 solo se l'acquirente accetta i test ridotti e tale accettazione dovrebbe essere scritta anziché data per scontata. In secondo luogo, confermare che la temperatura e l'energia del test di impatto sul certificato corrispondano ai requisiti del progetto piuttosto che a quelli predefiniti dello stabilimento, poiché un certificato che riporta 27 J a 0 gradi Celsius non soddisfa una specifica scritta per una temperatura inferiore.

Domande frequenti

D: Cosa significa la Q in X60Q?
Significa che il tubo è stato spento e temperato dopo la formatura. Il tubo senza saldatura finito viene riscaldato nuovamente alla temperatura di austenitizzazione, raffreddato con acqua sia sulla parte esterna che sul foro, quindi temperato nell'intervallo compreso tra 550 e 680 gradi Celsius per portare la resistenza allo snervamento nell'intervallo compreso tra 415 e 565 MPa. Il percorso Q è ciò che conferisce alla qualità la sua combinazione di elevata resistenza e tenacità alle basse temperature.

D: Qual è l'intervallo di carico di snervamento per API 5L PSL 2 X60Q?
L'intervallo specificato è compreso tra 415 MPa e 565 MPa, che corrisponde a 60 200 psi e 81 900 psi nelle tabelle consuete degli Stati Uniti, con resistenza alla trazione compresa tra 535 MPa e 760 MPa e un rapporto massimo snervamento/trazione di 0,93. Il tubo che supera il limite di snervamento superiore non rientra nella qualità e viene rifiutato.

D: Perché la zona interessata dal calore si ammorbidisce quando si salda X60Q?
Perché la robustezza nasce da un trattamento di tempra che il ciclo termico di saldatura inverte parzialmente. Una fascia accanto alla linea di fusione è effettivamente sovratemperata, quindi la sua durezza e resistenza scendono al di sotto del corpo del tubo. La zona rammollita non rappresenta un rischio di fessurazione ma è un punto di concentrazione della deformazione, motivo per cui le traverse di durezza fanno parte della qualificazione della procedura.

D: Le prove di impatto sono obbligatorie su questo grado?
Sì al livello 2 delle specifiche di prodotto, dove è richiesta la prova Charpy con intaglio a V del corpo del tubo e i risultati sono riportati sul certificato. La temperatura di prova e l'energia minima assorbita sono variabili di progetto, pertanto entrambe devono figurare nell'ordine di acquisto e non essere lasciate alla pratica standard dello stabilimento.

D: Quanto è stretta la tolleranza dello spessore della parete sui tubi senza saldatura?
Lo standard consente una fascia compresa tra circa meno 12,5% e più 15% sullo spessore della parete per prodotti senza saldatura, e all'interno di tale fascia la parete può essere eccentrica, quindi un tubo nominale da 12,7 mm può variare notevolmente attorno alla circonferenza. Le applicazioni in cui la parete minima determina il valore nominale della pressione devono specificare un'eccentricità limitata o una parete minima garantita.

D: Il tubo senza saldatura X60Q può essere utilizzato in servizi acidi?
Può, in conformità ai requisiti della norma ISO 15156 e della sua controparte NACE MR0175. Ciò normalmente significa un limite massimo di durezza di 250 HV10 su tutto il corpo e sulla saldatura, un acciaio a basso contenuto di zolfo controllato e una procedura di saldatura qualificata. Il criterio di accettazione diventa il rilievo della durezza, e non la prova di trazione.