O processo ERW é um dos mais extensivamente usados para fabricação de tubos de aço carbono destinados à indústria de óleo e gás, tanto nas aplicações de condução, quanto nas aplicações de perfuração e produção de óleo e gás (PRESTON PIPE REPORT, 2011).
Na década de 1950 os tubos fabricados pelo processo ERW utilizavam frequências na ordem de 150Hz (150 ciclos por segundo) para induzir corrente elétrica e aquecer a borda por efeito Joule. Em seguida as bordas eram pressionadas uma contra a outra unindo-se sem material de adição. O resultado dessa solda é apresentado na Figura 18, onde os pontos de pico da corrente, ou seja, o comprimento da onda pode ser observado na borda após soldagem em função também da velocidade de soldagem. Por conta disso, popularmente foi introduzido o termo “tubo com costura”.
Figura 18-Fotografia de 1950 evidenciando os pontos de “costura” no processo de fabricação de tubos soldados.
Fonte: (Cortesia Apolo Tubulars)
Entretanto, atualmente o processo de soldagem chamado ERW/HF, soldagem por resistência elétrica em alta frequência, emprega frequências de soldagem de 200 a 600kHz e potência de 50 a 1500kW (RUDNEV, 2003). Essas frequências são responsáveis por comprimentos de onda na ordem de 0,001mm. O processo é contínuo e subsequente à soldagem aplica-se um tratamento térmico de recozimento na linha da solda (KYRIAKIDES, 2007).
Podemos acompanhar os avanços no campo da soldagem de tubos através das siglas inglesas, descrevendo assim cada nova geração de tecnologia aplicada: Começou então pelo processo ERW, em que a corrente elétrica de baixa frequência era transmitida por contato através de rodas de cobre, uma em cada borda do tubo, com velocidades dificilmente superiores a um dígito de metro por minuto, e assim permaneceu o nome do processo mundialmente conhecido; em seguida apareceu o processo HFCW – “high frequency contact
welding” – com o desenvolvimento dos geradores de alta frequência, as rodas de contato
foram substituídas por contatos deslizantes e as velocidades já atingiam dezenas de metros por minuto; e na última década a consolidação do processo HFIW – “high frequency induction
Figura 19, atingindo velocidades de centenas de metros por minuto, tornando o processo altamente produtivo e de qualidade (SCOTT, 2004)
Figura 19-Representação do processo HFIW a partir de bobinas de indução
Fonte: (Cortesia Apolo Tubulars)
Dentre os atuais geradores de potência para soldas HFIW, duas tecnologias são empregadas: os “valvulados” baseados em sistemas oscilantes (triodo) e os transistorizados. Tão importante quanto a frequência em si é a tecnologia empregada, que definirá a frequência para cada aplicação, de modo a obter uma junta soldada de ótima qualidade. Para aplicações de tubos aço carbono soldados com espessuras na faixa de 3 a 12 mm, a frequência indicada é de 200 a 300 KHz (RUDNEV, 2003). Outros aspectos também são importantes para a obtenção de um produto de qualidade: o “impeder” (núcleo de ferrita com altíssima permeabilidade magnética) e a bobina de indução com seus respectivos sistemas de refrigeração e posicionamento em relação aos rolos de soldagem e formação (NICHOLS, 1999).
O processo resume-se em induzir corrente elétrica de alta frequência às bordas de um esboço tubular, até o ápice do “V” físico formado por estas, de modo a aquecê-las até a temperatura desejada e pressioná-las através de rolos, de forma a soldá-las, sem adição de nenhum outro metal, conforme Figura 20 (NICHOLS, 1999).
Figura 20- Representação do mecanismo de soldagem HFIW: (a) soldagem HFIW a partir de contatos; (b) soldagem HFIW a partir de bobinas de indução.
. Fonte: (NICHOLS, 1999).
Observam-se dois efeitos no uso da radiofrequência: O efeito de pele, ou seja, quanto maior a frequência menor a penetração da corrente elétrica em um condutor e efeito de proximidade, ou seja, a corrente elétrica que passa por um condutor cria um campo magnético radial, que se inicia na superfície do condutor e se estende para o infinito, decrescendo de intensidade na razão inversa do quadrado da distância. Se o condutor é dobrado sobre si mesmo, um campo magnético reage com o outro, exercendo uma força de repulsão sobre os mesmos. Se os condutores são mantidos próximos, os campos magnéticos são deformados, comprimindo as linhas do campo entre os condutores. Isto provoca a concentração da corrente elétrica nas superfícies justapostas dos condutores, daí o “efeito de proximidade” (NICHOLS, 1999). A Figura 21 ilustra a distribuição da corrente elétrica ao longo da seção do condutor.
a)
b)
“V” físico
Figura 21- a) A esquerda, tem-se o fluxo de corrente a 60Hz por toda a seção do condutor. A direita tem-se o fluxo de corrente induzida por alta frequência na superfície do condutor (efeito de pele); b) tem-se o fluxo de corrente adjacente a lateral próxima dos tubos.
Fonte: (NICHOLS, 1999).
Assim, os dois efeitos juntos aumentam a eficiência da soldagem por resistência elétrica através da concentração da corrente elétrica nas superfícies que realmente necessitam ser aquecidas.
O processo de aquecimento por efeito da corrente elétrica induzida em alta frequência nas bordas do esboço tubular, pode ser mais facilmente observado, à simples vista, quando se trata de tubos com espessuras mais grossas. O perfil de distribuição do calor na seção longitudinal da borda, Figura 22, é influenciado pela formação dos “V” físico e “V” térmico, bem como pelo "efeito de pele" e "efeito de proximidade" (NICHOLS, 1999).
Figura 22-Perfil de distribuição do calor na seção longitudinal da borda
Fonte: (Cortesia Apolo Tubulars).
A remoção dos excedentes internos e externos da solda se realiza através de ferramentas de corte. Grande avanço se deu na qualidade da remoção interna a partir do uso de ferramentas de remoção de metal duro, com raios construídos em retífica, denominados
(a) (b)
“cutting rings” e com a utilização de suspensão hidráulica, nos equipamentos de remoção interna, ao invés de suspensões mecânicas com molas.
O processo de fabricação de tubos por soldagem com resistência elétrica de alta frequência fornece produtos de alto nível de qualidade aplicado na indústria de óleo e gás, principalmente nos requisitos dimensionais, homogeneidade das propriedades mecânicas, tenacidade, alta resistência mecânica e resistência à fragilização pelo hidrogênio, atendendo as normas de fabricação mais exigentes, DNV OS F101 e API 5L (CORDEIRO, 2010). A Figura 23 ilustra o processo típico de fabricação de tubos por ERW (KYRIAKIDES, 2007).
Figura 23-Representação esquemática do processo ERW.
Fonte: (KYRIAKIDES, 2007)
Resumidamente, a partir de bobinas laminadas de aço, o processo é composto pelas seguintes etapas:
Operação de desbobinamento do aço; Formação dos tubos através de rolos;
Soldagem automática por resistência elétrica em alta frequência; Normalização da solda (quando aplicada);
Calibragem;
Cortes e testes hidrostáticos, dimensionais e de laboratório; Ensaios não destrutivos.
Inspeção por UT Biselamento Teste Hidrostático Inspeções Dimensionais Marcação/Pintura Calibradora Corte Soldagem/Tratamento térmico/resfriamento Formação Desbobina mento Desempenadeira
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Entretanto, para atender aos requisitos da indústria de P&G, principalmente segundo a norma internacional API 5CT, desenvolveu-se o fluxo de produção conforme ilustra a figura 24.
Figura 24-Fluxo de produção de tubos de produção - Tubing EUE API 5CT.