ITMI20001117A1

ITMI20001117A1 - Acciaio inox martensitico e tubi senza saldatura con esso prodotti

Info

Publication number: ITMI20001117A1
Application number: IT2000MI001117A
Authority: IT
Inventors: Giuseppe Cumino; Toshio Suzuki; Eugenio Maffeis; Luca Montelatici; Ono Tatsuo; Shuji Hashizume; Yusuke Minami
Original assignee: Dalmine Spa
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2001-11-19
Also published as: IT1317649B1; EP1285097A1; NO20025551D0; NO20025551L; ITMI20001117A0; CA2409158A1; CN1429279A; JP2003533592A; WO2001088210A1; AU2001270533A1

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:

"Acciaio inox martensitico e tubi senza saldatura con esso prodotti”

Ambito dell'invenzione

L’invenzione riguarda la produzione di un acciaio inox martensitico e il suo impiego nella fabbricazione di tubi senza saldatura di grandi dimensioni, con eccellente saldabilità idonei per l’impiego in pipelines, in ambiente corrosivo per la presenza di gas acido carbonico umido e acido solfidrico umido, a pressione molto elevata e temperatura fino a 150°C e oltre.

L’invenzione riguarda anche la fabbricazione dei tubi suddetti mediante un procedimento di laminazione a caldo con espansione rotativa.

Descrizione dettagliata dell'Invenzione

La presente invenzione riguarda la fabbricazione di tubi senza saldatura di grandi dimensioni, di diametro esterno superiore a 16 “ e fino a 28 “ , idonei per l'impiego in pipelines dove si richiede una resistenza meccanica eleva, una eccellente saldabilità e resistenza alla corrosione in condizioni severe quali quelle che si hanno con fluidi per la presenza contemporanea di CO2 e di H2S e acqua e anche cloruri (NaCl) a temperatura fino a 150°C.

Le prestazioni straordinariamente elevate dei manufatti oggetto dell’invenzione sono dovute all'impiego nella loro fabbricazione di un acciaio inox martensitico che costituisce aspetto essenziale dell’invenzione. Tale acciaio oltre a presentare eccezionale resistenza alla corrosione come sopra indicato può essere lavorato a caldo oltre 1000°C e fino a 1200°C con facilità: in particolare si presta alla fabbricazione dei tubi senza saldatura di grandi dimensioni 0 esterni fino a 28 “ in un laminatoio a caldo a espansione rotativa attrezzato con rulli conici e con punta assiale.

Acciaio inox martensitico oggetto dell'invenzione.

Negli ultimi anni è aumentata la richiesta di tubazioni per pipelines in acciai resistenti a condizioni di corrosione estremamente severe comprendenti la presenza contemporanea di H2S e CO2 in presenza di H2O e temperatura oltre i 100°C fino a 150°C, a pressioni molto elevate. Tra gli acciai noti aventi resistenza alla corrosione nelle condizioni severe sopra dette vi sono quelli con 0,2% C e 13% Cr che tuttavia hanno scarsa saldabilità e richiedono un trattamento termico preliminare e uno successivo a temperatura elevata per prevenire fessurazioni nella saldatura.

Migliori prestazioni si hanno con gli acciai ad alto cromo (Cr a 22 - 25%) tuttavia con forte aumento del costo dell'acciaio.

E’ stato ora realizzato un acciaio inox martensitico con eccellente saldabilità e lavorabilità a temperatura elevata dell’ordine di 1100 ÷ 1200°C, elevata resistenza alla corrosione da CO2 H2S in presenza di H2O e anche di cloruri. I tubi con esso fabbricati presentano una resistenza alla pressione molto elevata.

L’acciaio secondo l’invenzione contiene:

Formulazione 1

C ≤ 0,02% peso, Si da 0,1% a 0,3% peso

Mn da 0,1% a 0,3% peso

P < 0,02% peso S < 0,002% peso

Cr da 10% a 13% peso Ni da 5% a 8% peso

Mo da 1,5% a 3% peso N < 0,02% peso

Con C N = da 0,02% a 0,04% peso.

II resto a 100% essendo sostanzialmente costituito da Fe.

Formulazione 2

Come la 1 contenente inoltre:

da 0,1 a 3% di W e/o da 0,1 a 3% di Cu

con C N = da 0,02% a 0,04%

Formulazione 3

Come la 1 contenente inoltre:

da 0,01 a 0,1% di Ti e/o da 0,01 a 0,1% di Nb

con C N = da 0,02% a 0,04%

Formulazione 4

Come la 1, contenente inoltre da 0,1 a 3% peso di W e/o di Cu e da 0,01% a 0,1% di Ti e/o Nb.

L’acciaio inox secondo la presenta invenzione è stato realizzato tenendo presenti i seguenti criteri.

Contenuto di C: il carbonio aumenta la resistenza meccanica a seguito della formazione di Cr carburo ma diminuisce la resistenza alla corrosione a seguito della riduzione del Cr libero: il quantitativo indicato (< 0,02%) in combinazione con la condizione C N compreso tra 0,02% e 0,04% rappresenta in pratica un compromesso ottimale.

Si da 0,1% a 0,3% funziona da deossidante: al di sotto di 0,1% non consegue un effetto apprezzabile, ai di sopra di 0,3% provoca la cristallizzazione di δ ferrite e si richiede un aumento del Ni per ridurre la struttura ferritica a favore di quella martensitica. Tenuto conto anche del costo elevato del nichel si è stabilito come valore limite di Si lo 0,3%. Mn 0,1÷0,3% funziona pure da deossidante: non ha effetto significativo al di sotto di 0,1%. La lavorabilità a caldo è ridotta. Oltre lo 0,3% aumenta la corrosione da CO2 H2S.

P < 0,02% - il limite 0,02% è stato fissato per mantenere una ottima lavorabilità a caldo senza peggiorare la resistenza alla corrosione.

S < 0,002% - questo basso contenuto di zolfo non contribuisce ad aumentare la resistenza a corrosione ma salvaguarda la elevata lavorabilità a caldo.

Cr 10 ÷ 13% - in quantità di almeno 10% migliora la resistenza a corrosione da CO2 + H2O. In quantità inferiore il miglioramento nei riguardi della corrosione è praticamente insignificante. Promuove la cristallizzazione ferritica a detrimento della struttura martensitica: per questo è stato limitato al 13% addizionando nello stesso tempo anche Ni che promuove la struttura martensitica.

Ni 5% ÷ 8% - per una conveniente promozione della struttura martensitica se ne usa almeno il 5%. Tenuto conto del costo elevato del nichel un contenuto da 5% a 8% è ritenuto un contenuto ottimale.

Molibdeno

Mo 1,5 ÷ 3% - migliora la resistenza a corrosione ma non è efficace sotto 1,5%; promuove la struttura ferritica a detrimento della martensitica; se si supera il 3% occorre aggiungere altro Ni per salvaguardare la struttura martensitica. Pertanto il contenuto massimo è fissato al 3%.

Azoto

N < 0,02% - l’azoto formando composti con Cr (nitruri) aumenta la resistenza meccanica, ma se aggiunto in eccesso riduce la resistenza a corrosione. Inoltre quantitativi superiori al limite fissato possono dare origine a alta durezza in saldatura (zona termicamente alterata) e rendono necessario un trattamento termico post-saldatura. Il quantitativo indicato (<0,02%) in combinazione con la condizione (C N) compreso tra 0,02% e 0,04% rappresenta in pratica un compromesso ottimale. Tungsteno e Rame: (entrambi 0,1 ÷ 3%) aumentano la resistenza a corrosione e quella meccanica. Sotto lo 0,1% il miglioramento è insignificante sopra il 3% la lavorabilità a caldo si riduce. L’intervallo 0,1% ÷3% rappresenta per entrambi un quantitativo ottimale.

Titanio e Niobio: (0,01 ÷ 0,1%) migliorano, in piccola quantità tra 0,01% e 0,1%, la resistenza meccanica e la tenacità dell’acciaio (formano carburi con il C presente nell'acciaio, in tal modo raffinando la grana cristallina). Oltre lo 0,1% si ha sovrasatu razione.

Carbonio Azoto

La condizione (C+N) = 0,02% - 0,04% rappresenta un compromesso per ottenere sufficiente resistenza meccanica senza aumentare eccessivamente la durezza nella zona termicamente alterata dalla saldatura (con conseguente necessità di post-trattamento termico).

Metodo e dispositivo per la fabbricazione dei tubi senza saldatura oggetto dell’invenzione.

L’acciaio inox martensitico sopra descritto costituisce lo specifico materiale necessario per la fabbricazione dei tubi senza saldatura, di grandi dimensioni, ottenuti secondo un procedimento e relativo dispositivo messo a punto dalla titolare della presente domanda di brevetto. Il dispositivo definito di laminazione con espansione rotativa, è schematicamente rappresentato nella figura 1 dalla quale si può dedurre il principio di funzionamento.

Nella figura 1 si indica con:

1 = coppia di rulli conici con asse di rotazione deviato (ossia non complanare) rispetto all’asse longitudinale del laminatoio.

2 = tubo madre in entrata

3 = direzione di laminazione

4 = punta di espansione

5 = stanga porta punta

6 = tubo per fluido per deossidazione superficie interna

1 rulli conici impartiscono al tubo in lavorazione una spinta assiale nella direzione di marcia oltre che una rotazione: il tubo assume quindi un movimento elicoidale. Il materiale in entrata viene quindi sottoposto in ad una laminazione trasversale con espansione.

La posizione della punta di espansione è controllata attraverso la stanga (5) comandata con dispositivo idraulico.

L’aumento del diametro del tubo con un solo passaggio di laminazione può arrivare a) 70% con corrispondente diminuzione dello spessore delle pareti del tubo.

La laminazione viene effettuata con una temperatura del materiale in lavorazione compresa tra 1150° e 1200°C.

Nella figura 2 si rappresentano i dispositivi accessori dell'apparecchio di laminazione a rotazione con espansione della figura 1.

Nella figura 2 si indicano:

1 = forno di riscaldamento dei tubi madre

2 = laminatoio rotante di figura 1

3 = coppia di rulli obliqui con spina assiale per la rifinitura superficiale. 4 = forno di riscaldamento successivo

5 = coppie di rulli di laminazione per la calibratura del tubo

6 = raffreddamento.

Il metodo e relativa apparecchiatura proposti consentono di ottenere con l'impiego dell’acciaio inox martensitico secondo l’invenzione, tubi di grande diametro fino a 28" con ottime caratteristiche della superficie. Esempi

Alcuni tipi di acciaio inox martensitico secondo l’invenzione sono riportati in tabella 1. Gli ultimi tre (prove J, K, L) sono stati preparati per effettuare prove di confronto.

Nella tabella 2 sono riportate le valutazioni in base ai tests effettuati sugli acciai della tabella 1.

In particolare per quanto riguarda la lavorabilità a temperatura elevata gli acciai di confronto (campioni J, K ed L) sono risultati scadenti non adatti quindi alla fabbricazione dei tubi secondo il procedimento e con il dispositivo di laminazione secondo il presente trovato. Si rileva che i suddetti campioni di confronto non soddisfano, per quanto riguarda la loro composizione, i requisiti stabiliti per il presente trovato e precisamente: il campione J ha un contenuto eccessivo di P (0,038% anziché 0,020) mentre i campioni K ed L hanno un contenuto troppo elevato di S. (0,004% anziché 0,002%).

TABELLA 1

Note: Esempio J: troppo P

Esempio K, L: troppo S

TABELLA 2

O = buono

X = scadente

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Acciaio inox martensitico idoneo alla fabbricazione di tubi senza saldatura con elevata resistenza alla corrosione, consistente nei seguenti ingredienti: Mn da 0,1% a 0,3%, P< 0,02%, S< 0,002% Cr da 10% a 13%, C < 0,02% peso, Si da 0,1% a = 0,3% peso, Ni da 5% a 8%, Mo da 1,5% a 3%, N< 0,02% e nel quale C N = da 0,02% a 0,04%. Il resto a 100% essendo sostanzialmente costituito da Fe.
2. Acciaio inox martensitico secondo la rivendicazione 1 contenente inoltre da 0,1% a 3% di W e/o da 0,1 % a 3% di Cu.
3. Acciaio inox martensitico secondo la rivendicazione 1 contenente inoltre da 0,01% a 0,1% di Ti e/o da 0,01% a 0,1% di Nb.
4. Acciaio inox martensitico secondo la rivendicazione 1 contenente inoltre da 0,1 % a 3% di W e/o Cu e da 0,01 % a 0,1 % di Ti e/o Nb.
5. Tubi di acciaio inox martensitico idonei all'utilizzo per pipelines, aventi elevata resistenza alla corrosione da CO2 + H2S in presenza di acqua e/o soluzioni saline, a temperatura elevata, costruiti senza saldatura con metodo di laminazione, con impiego di acciaio secondo le rivendicazioni 1-4.
6. Procedimento per la fabbricazione dei tubi secondo la rivendicazione 5 nel quale si realizza un procedimento di laminazione con espansione rotativa nel quale il materiale è lavorato a temperatura fra 1150° e 1200°C, detto procedimento essendo caratterizzato dal dispositivo di laminazione schematicamente rappresentato in figura 1 e comprendente una coppia di rulli conici 1 , una punta di espansione 4 montata sulla barra 5, e nel quale i rulli conici 1 aventi asse di rotazione non complanare rispetto all’asse longitudinale del laminatoio impartiscono un movimento elicoidale al tubo madre in entrata sottoposto a laminazione.