Simulaciones térmicas del tratamiento de costura en tubos soldados por alta frecuencia

Abstract

En la fabricación de tubos de acero soldados para líneas de conducción (line pipes), a continuación del proceso de soldadura de alta frecuencia se aplica un tratamiento térmico localizado en la zona del cordón, con el objetivo de refinar la estructura y eliminar los constituyentes frágiles. Este tratamiento consiste típicamente en un calentamiento rápido por inducción en el rango austenítico seguido de enfriamiento en aire hasta una temperatura por debajo del fin de transformación (Ar1) [1]. Si bien este proceso está ampliamente difundido, presenta limitaciones para alcanzar propiedades mecánicas equivalentes al cuerpo del tubo, especialmente en aceros de alta resistencia y baja aleación, laminados en caliente mediante procesamiento controlado termomecánicamente [2]. Por este motivo, algunos fabricantes han desarrollado distintas variantes de este tratamiento que implican dos etapas de calentamiento, siendo el primero en general supercrítico, mientras que el segundo puede ser tanto supercrítico como subcrítico con enfriamiento intermedio natural o acelerado [2, 3, 4, 5]. En este trabajo se estudiaron diferentes ciclos térmicos alternativos al tratamiento de costura convencional, que implican una o dos instancias de calentamiento con enfriamiento intermedio, mediante simulaciones térmicas del proceso. Se analizó la respuesta del material en términos de microestructura, tenacidad al impacto y dureza, con el fin de evaluar su potencialidad para una futura implementación industrial. Los ciclos térmicos fueron aplicados en muestras de soldadura, mediante un simulador termomecánico Gleeble® 3500 [6]. Estas fueron luego caracterizadas mediante técnicas metalográficas de microscopía óptica, electrónica de barrido y de transmisión, y mediante ensayos físicos de dureza y de flexión por impacto de Charpy.

In the manufacture of welded steel tubes for pipelines, following the high-frequency welding process, a localized heat treatment is applied to the seam area with the objective of refining the structure and eliminating brittle components. This treatment typically consists of rapid induction heating in the austenitic range followed by cooling in air to a temperature below the end of transformation (Ar1) [1]. Although this process is widely used, it has limitations in achieving mechanical properties equivalent to the pipe body, especially in high-strength, low-alloy steels, that are hot-rolled by thermomechanically controlled process [2]. For this reason, some manufacturers have developed different variants of this treatment that involve two heating stages. The first one is generally supercritical, while the second one can be either supercritical or subcritical with natural or accelerated intermediate cooling [2, 3, 4, 5]. In this work, different alternative thermal cycles to conventional seam treatment, which involve one or two heating instances with intermediate cooling, were studied through thermal simulations of the process. The material's response was analyzed in terms of microstructure, impact toughness, and hardness to assess its potential for future industrial implementation. Thermal cycles were applied to weld samples using a Gleeble® 3500 thermomechanical simulator [6]. These samples were then characterized using metallographic techniques such as optical, scanning, and transmission electron microscopy, as well as physical hardness and Charpy impact bend tests.