Tubos de aço soldados: fabrico e aplicações

Os tubos de aço soldados são essenciais em muitos setores, graças à sua resistência e versatilidade. São elementos estruturais indispensáveis em obras de infraestruturas, condutas de energia e estruturas industriais, que acompanham o ritmo do progresso moderno. Este artigo analisa os complexos processos de fabrico de tubos de aço soldados e a forma como a tecnologia tem sido incorporada para melhorar a eficiência e o desempenho. Apresenta também as várias formas como são utilizados em diferentes setores, contribuindo para que sejam um componente insubstituível na engenharia e na construção. Se trabalha no setor ou simplesmente tem interesse nos elementos fundamentais que constituem as infraestruturas modernas, este guia apresenta-lhe o fabrico e as aplicações dos tubos de aço soldados.

O que é o aço soldado e como é utilizado?

A designação aço soldado refere-se ao aço unido por processos de soldadura para formar tubos robustos ou outras peças estruturais. É utilizado em vários setores industriais, dada a sua popularidade e características como a capacidade de suporte, a eficiência e o baixo custo. Os tubos de aço soldados são presença habitual nos sistemas de transporte de petróleo, gás e água, bem como na construção de edifícios, pontes e maquinaria. Processos de soldadura, como a soldadura topo a topo, garantem uniformidade, um acabamento liso e dimensões precisas, assegurando precisão e equilíbrio em aplicações exigentes.

Definição de tubo de aço soldado e respetivas vantagens

Os tubos de aço soldados são fabricados laminando e soldando chapas de aço planas para criar uma forma cilíndrica contínua. Este processo permite controlar com precisão as dimensões e obter um acabamento superficial uniforme. As principais vantagens dos tubos de aço soldados são a resistência mecânica, a durabilidade e o custo. Também são mais leves do que algumas alternativas, o que facilita o transporte e a instalação. Além disso, podem ser fabricados com qualquer comprimento e diâmetro, de acordo com necessidades específicas, sendo úteis em vários setores, como a energia, a construção e a engenharia estrutural. A sua fiabilidade e facilidade de fabrico tornaram-nos essenciais nas infraestruturas modernas.

Aplicações comuns do aço soldado na indústria

Graças à sua resistência, adaptabilidade e durabilidade, o aço soldado é utilizado em muitos setores industriais. Algumas aplicações incluem:

• Setor da energia: utilizado habitualmente em condutas concebidas para o transporte de petróleo, gás natural e água.
• Construção: amplamente utilizado no fabrico de componentes estruturais, incluindo vigas, pilares e treliças.
• Fabrico automóvel: amplamente utilizado em sistemas de escape, estruturas e outros componentes estruturais de veículos.
• Construção naval: utilizado no fabrico de cascos, conveses e outros componentes estruturais de embarcações.
• Equipamento industrial: essencial para o fabrico de maquinaria, depósitos de armazenamento e vasos de pressão.

A lista demonstra a versatilidade e a utilidade do aço soldado nos diferentes setores industriais.

Principais diferenças entre aço soldado e aço sem costura

• Processo de fabrico: o aço soldado é produzido laminando uma tira plana de aço até obter uma forma cilíndrica e soldando depois as extremidades. O aço sem costura é fabricado por extrusão, transformando uma peça maciça de aço num tubo oco sem costura.
• Resistência e durabilidade: a ausência de uma costura soldada torna o aço sem costura mais resistente e mais capaz de suportar pressão. Sem um ponto fraco, o aço sem costura é mais resistente e suporta melhor a pressão. Embora o aço soldado seja resistente, a sua resistência é ligeiramente menor junto à costura.
• Custo e disponibilidade: em comparação com o aço sem costura, o aço soldado é mais barato e está mais disponível, devido à simplicidade dos processos de fabrico.
• Aplicações: para condutas de petróleo e gás sujeitas a requisitos de alta pressão, o aço sem costura é a opção preferida. O aço soldado é frequentemente utilizado em projetos estruturais e de construção menos exigentes.

Estas diferenças ajudam a determinar o tipo de aço adequado às necessidades específicas de cada setor.

Como são fabricados os tubos de aço soldados?

O processo de fabrico de tubos de aço soldados

Para fabricar tubos de aço soldados, corta-se uma tira ou chapa de aço, que depois é moldada e soldada até adquirir a forma cilíndrica pretendida. O fabrico começa com a laminagem do aço até obter a espessura e a largura corretas. Em seguida, a tira de aço passa por rolos que lhe dão uma forma cilíndrica. As extremidades longitudinais do aço são soldadas por soldadura por resistência elétrica (ERW) ou por soldadura por arco submerso (SAW), conforme as necessidades da aplicação. Após a soldadura, o tubo é inspecionado e submetido a ensaios para garantir a uniformidade e a qualidade. Este processo é eficaz e adequado à produção industrial de tubos para vários setores.

Técnicas ERW e DSAW

A soldadura por resistência elétrica (ERW) e a soldadura por arco submerso duplo (DSAW) são dois métodos comuns de fabrico de tubos de aço soldados. A ERW, ou soldadura por resistência elétrica, utiliza uma corrente de alta frequência para aquecer as extremidades das chapas de aço, fundindo-as sob pressão até atingirem um estado semilíquido. Este método é ideal para tubos de parede fina, utilizados no transporte de água ou em aplicações estruturais. Na DSAW (soldadura por arco submerso duplo), utiliza-se um fluxo mais complexo e potente, juntamente com elétrodos de soldadura, para criar soldaduras duplas resistentes no interior e no exterior do tubo. Este método produz uma soldadura dupla de elevada resistência, que aumenta a durabilidade. A DSAW é frequentemente utilizada em tubos mais espessos destinados a condutas de petróleo e gás de alta pressão. A escolha de cada método depende da aplicação específica, dos materiais e dos critérios operacionais.

Controlo da qualidade e normas de especificação

O controlo da qualidade no fabrico de tubos centra-se nas normas do setor e nas medidas de segurança aplicáveis aos produtos. As inspeções incluem, entre outros métodos, exames visuais, ensaios por ultrassons e ensaios hidrostáticos de pressão. Todos estes métodos garantem a integridade do tubo e o seu desempenho nas condições de funcionamento. As normas estabelecidas pela American Society for Testing and Materials (ASTM) e pelo American Petroleum Institute (API) definem as propriedades necessárias dos materiais, as tolerâncias dimensionais exigidas e os ensaios a realizar. O cumprimento destes requisitos garante precisão, fiabilidade e adequação à aplicação, em particular em projetos de construção para o setor do petróleo e do gás e no desenvolvimento de infraestruturas.

Quais são as especificações dos tubos de aço soldados?

Conheça as diferentes classes de aço e respetivas aplicações

O tipo de tubo de aço soldado determina, em grande medida, a classe de aço utilizada. Uma dessas classes é a ASTM A53, adequada a estruturas básicas e a canalizações de baixa pressão. A API 5L foi desenvolvida para o transporte de petróleo e gás, graças à sua elevada resistência e durabilidade. Para aplicações estruturais que exigem elevada resistência à corrosão, também são habitualmente utilizadas classes de aço inoxidável como 304 e 316. Cada classe de aço tem uma composição química e características industriais específicas, concebidas para garantir um desempenho eficaz nas condições de utilização e manter um elevado nível de segurança e durabilidade em ambientes exigentes.

O papel da ASTM nas especificações de tubos

A American Society for Testing and Materials (ASTM) desempenha um papel fundamental na definição de normas que determinam a qualidade, a segurança e o desempenho dos tubos utilizados em vários setores, em particular no setor tecnológico. As suas normas relativas às propriedades dos materiais, aos processos de fabrico e aos requisitos de ensaio são reconhecidas mundialmente e são essenciais para garantir a precisão e a verificação em diversos setores. Por exemplo, a ASTM A53 abrange tubos mecânicos e de pressão e especifica uma determinada classe, a resistência à tração, o alongamento e a quantidade de certos elementos químicos, como carbono e manganês, para garantir uniformidade e qualidade. Outro exemplo relevante é a ASTM A106, concebida para tubos de aço-carbono sem costura destinados a aplicações a alta temperatura. Esta norma estabelece requisitos rigorosos para o tratamento térmico e os ensaios hidrostáticos dos tubos, para garantir que resistem a condições extremas. Outras especificações do setor do aço inoxidável, como a ASTM A312, abrangem tubos das classes SS316 e dão ênfase à resistência à corrosão, à espessura da parede e à composição química de crómio e níquel. Estas normas são revistas continuamente para acompanhar os progressos na ciência dos materiais e nos vários setores. Um guia de aquisição da ASTM permite que engenheiros e fabricantes tomem decisões rápidas e fundamentadas sobre a seleção dos materiais, a conformidade e os requisitos de desempenho, evitando falhas críticas em sistemas essenciais.

Importância da espessura da parede e do diâmetro

A relação entre a espessura da parede e o diâmetro de um tubo é um elemento fundamental da sua conceção. Afeta significativamente o desempenho, a vida útil e a segurança operacional em vários setores, incluindo a construção, a energia e o fabrico. A espessura da parede, medida em milímetros ou polegadas, determina a pressão interna que um tubo consegue suportar sem se deformar ou romper. Normas como a ASME B31.1 ou a API 5L apresentam recomendações para selecionar espessuras de parede adequadas a diferentes pressões e temperaturas de funcionamento e características dos materiais. Em termos de medição, o diâmetro pode ser nominal, interno ou externo; é também uma das medidas mais importantes na conceção de um tubo de revestimento. Diâmetros maiores aumentam o caudal e reduzem as perdas por atrito no sistema. Por outro lado, os diâmetros menores são preferidos em operações de precisão, como a dosagem de produtos químicos ou a tubagem para instrumentação. Estes parâmetros devem ser considerados em conjunto com a espessura da parede para equilibrar a resistência e a eficiência mecânica, tendo em conta os aspetos estruturais e económicos da conceção do sistema. Por exemplo, os projetistas de sistemas aplicam a fórmula de Barlow às despesas de capital e verificam se os limites dos materiais são respeitados. Além disso, a análise por elementos finitos (FEA) melhorou a previsão da distribuição de tensões nos tubos, contribuindo para decisões mais fundamentadas. Por isso, a relação entre a espessura da parede e o diâmetro é fundamental para sistemas de elevado desempenho e longa vida útil.

Quais são as propriedades estruturais e mecânicas?

Como a tensão e a pressão afetam os tubos de aço soldados

O desempenho dos tubos de aço soldados, tanto a baixa como a alta pressão, é significativamente afetado pela tensão, pela pressão e pela integridade estrutural dos tubos. Quando sujeitos a pressão interna, os tubos de aço soldados também estão sujeitos a tensão longitudinal, ao longo do tubo, e a tensão circunferencial. A magnitude das tensões depende das propriedades do material, da espessura da parede e do diâmetro externo do tubo. Estudos mais recentes têm-se debruçado sobre a tensão de cedência e sobre a capacidade do tubo para resistir à deformação sob tensão. Um bom exemplo são os tubos fabricados com as classes de aço mais recentes, cuja tensão de cedência ultrapassa 450 MPa, tornando-os mais duráveis em condições extremas. As costuras soldadas também podem apresentar vantagens, mas constituem zonas localizadas de tensão de tração significativamente elevada, a partir das quais as fissuras podem propagar-se facilmente se não forem inspecionadas ou tratadas com recozimento para alívio de tensões ou tratamento térmico pós-soldadura (PWHT). Além disso, o ambiente operacional e as cargas cíclicas provocadas por variações de pressão representam riscos adicionais de fadiga. Os tubos soldados sujeitos a pressões cíclicas parecem exigir mais atenção durante a soldadura para obter uma distribuição uniforme de tensões e aumentar a vida útil à fadiga. As normas ASME e API definem os limites admissíveis para o sistema. Também fornecem métodos para calcular a pressão máxima de funcionamento admissível (MAOP) e determinar a margem de segurança adequada. As técnicas modernas de precisão são essenciais para avaliar pequenas descontinuidades numa soldadura e o seu comportamento sob pressão. Para esse efeito, recorrem-se à inspeção radiográfica e aos ensaios por ultrassons, métodos de ensaio não destrutivo (NDT). Estes métodos permitem monitorizar as soldaduras dos tubos de aço e garantir que não surgem problemas durante a utilização no setor do petróleo e do gás, onde as condições de funcionamento podem exceder os limites de desempenho do material.

Análise da resistência à tração e da resistência à corrosão

A avaliação de tubos de aço soldados tem em conta a resistência à tração e à corrosão. O material deve suportar uma carga aplicada sem se romper, o que garante uma soldadura duradoura. A resistência à corrosão determina a capacidade do tubo para suportar a exposição a produtos químicos e a condições ambientais, algo essencial em ambientes operacionais corrosivos. A escolha adequada do aço, complementada por revestimentos aderentes e tratamentos, aumenta a durabilidade e torna o material adequado a aplicações industriais exigentes. O cumprimento destes requisitos através de ensaios rigorosos ou da seleção dos materiais promove a fiabilidade e a eficácia das operações.

Escolher o fornecedor de tubos adequado

Fatores a considerar na escolha de um fornecedor de qualidade

1. Qualidade dos materiais: verifique se o fornecedor dispõe de documentos relativos aos materiais e tubos fornecidos. Estes devem ser fabricados com materiais duradouros e certificados, que cumpram as normas do setor e correspondam às necessidades específicas.
2. Certificações e conformidade: confirme que o fornecedor dispõe de todos os documentos relevantes, incluindo certificações, normas ISO e outros regulamentos aplicáveis. Estes documentos comprovam a fiabilidade do fornecedor e a consistência da qualidade.
3. Reputação e experiência: um fornecedor preferencial deve ter um portefólio abrangente, avaliações favoráveis, uma reputação sólida e experiência na prestação destes serviços no setor, bem como estudos de caso positivos que sustentem as suas afirmações.
4. Personalização e apoio: dê prioridade a fornecedores que ofereçam várias opções flexíveis de personalização, documentação de apoio detalhada e assistência técnica abrangente, para satisfazer as necessidades específicas do projeto.
5. Pontualidade na entrega: analise as referências do fornecedor para avaliar a reputação quanto ao cumprimento de prazos e orçamentos, de modo a evitar atrasos nas operações.
6. Eficiência de custos: analise o desempenho dos fornecedores para garantir que apresentam estimativas razoáveis com base na proposta apresentada, sem comprometer a qualidade e a segurança dos materiais necessários.

A importância de especificações e normas precisas

A precisão e os critérios do projeto são essenciais para manter a consistência, a qualidade e a segurança dos produtos. O cumprimento de orientações específicas reduz os erros, aumenta a fiabilidade e garante a compatibilidade com outros sistemas ou componentes. O cumprimento das normas também facilita os processos regulamentares e de aquisição, ao definir parâmetros claros para o desempenho e a qualidade dos materiais necessários. Sem orientações pormenorizadas, os projetos ficam expostos a alterações não controladas que podem comprometer os resultados e aumentar os custos.

Perguntas frequentes (FAQs)

P: O que distingue um tubo soldado de um tubo de aço sem costura?

R: Ao contrário do tubo de aço sem costura, que não tem soldaduras e é fabricado por perfuração de uma peça maciça, os tubos soldados são produzidos moldando uma chapa ou tira de aço até adquirir uma forma cilíndrica e soldando depois a costura. Além disso, os tubos soldados são menos resistentes do que os tubos sem costura, pelo que não são adequados a aplicações de alta pressão.

P: O que distingue um tubo ERW de outros tubos soldados?

R: Os outros tubos soldados tendem a utilizar métodos diferentes do aquecimento por resistência elétrica, essencial para produzir tubos ERW. Este método garante que as costuras metálicas dos tubos ficam resistentes e bem unidas, com suportes articulados equilibrados, tornando os tubos ERW adequados a aplicações que exigem grande precisão.

P: Quais são as vantagens dos tubos soldados na construção, em comparação com outros tipos de tubo?

R: Os tubos soldados, como os tubos de aço-carbono, tendem a ser mais baratos e estão disponíveis em comprimentos maiores, o que pode ser muito útil na construção. Além disso, podem ser produzidos em massa para projetos de grande escala, como torres e tubos instalados no subsolo, ajudando as empresas de construção a reduzir custos.

P: Que opções são preferidas por setores específicos em vez de tubos soldados?

R: Em vez disso, são amplamente utilizados no setor do petróleo e do gás, onde se transportam água, vapor e gás a temperaturas e pressões elevadas. Como não têm juntas soldadas, oferecem maior resistência axial e suportam melhor as variações de pressão, o que os torna ideais para estas aplicações.

P: Que fatores determinam a qualidade de um tubo soldado?

R: A qualidade do tubo depende de fatores como a precisão da costura, a classe da chapa de aço utilizada, o processo de fabrico, o cumprimento das práticas habituais do setor e as medidas gerais adotadas no âmbito da garantia da qualidade.

P: Aplicações de tubos soldados para diferentes classes de aço inoxidável.

R: As diferentes classes de aço inoxidável apresentam diferentes níveis de resistência e de resistência à corrosão, bem como diferentes capacidades para suportar temperaturas altas ou baixas. São utilizadas em aplicações especializadas, como nas indústrias de processamento químico ou alimentar, devido às condições específicas que têm de cumprir.

P: Qual é a função de uma flange num sistema de tubos soldados?

R: Uma flange num sistema de tubos soldados permite ligar tubos, válvulas e outros equipamentos numa junta. Contribui para a eficiência e o desempenho do sistema e facilita a montagem e a desmontagem, bem como o alinhamento ao longo do tubo.

P: Os tubos soldados são adequados para estruturas acima do solo e para estruturas de trincheiras de combate subterrâneas?

R: Sim, os tubos soldados têm várias aplicações em estruturas acima e abaixo do solo. São utilizados na construção de postes e em serviços instalados no subsolo, consoante o material e a conceção do tubo.

P: Porque é relevante a expressão «arco submerso duplo» quando se fala de tubos soldados?

R: A soldadura por arco submerso duplo é uma técnica utilizada no fabrico de tubos soldados que requer penetração profunda e soldaduras resistentes. É utilizada na produção de tubos maiores, com diâmetro superior e que exigem maior resistência, por exemplo, na construção de condutas.

Fontes de referência

1. Impacto das tensões residuais na taxa de propagação de fendas por fadiga em juntas soldadas de dupla face entre nervura e tabuleiro em tabuleiros ortotrópicos de aço

• Autores: Fanghuai Chen et al.
• Revista: Advances in Structural Engineering
• Publicado em: 8 de novembro de 2023
• Citação: (Chen et al., 2023, pp. 35–50)
• Resumo:
  • Esta investigação avalia o comportamento de propagação de fendas por fadiga em juntas soldadas de dupla face entre nervura e tabuleiro (RTD) em tabuleiros ortotrópicos de aço, em particular no que respeita às tensões residuais de soldadura (WRS).
  • Foi criado um modelo de elementos finitos (MEF) numerado de acoplamento sequencial termomecânico para calcular a distribuição das WRS e a vida útil à fadiga associada.
  • Os resultados sugerem que as WRS têm um impacto considerável na vida útil à fadiga da estrutura. Em particular, a vida útil à fadiga nos pés das soldaduras, considerando as WRS, é quase o dobro da vida útil calculada sem as considerar. O estudo salienta a necessidade de avaliar com precisão as WRS nos cálculos de fadiga de juntas soldadas.

2. Análise paramétrica das propriedades mecânicas de juntas de aços dissimilares soldadas por MIG e TIG

• Autor: Mehmet Şükrü Adin
• Revista: Journal of Adhesion Science and Technology
• Data de publicação: 04 de junho de 2023
• Citação: (Adin, 2023, pp. 115–138)
• Resumo:
  • Neste estudo, o autor analisa as propriedades mecânicas de juntas de aços dissimilares soldadas pelas técnicas de Metal Inert Gas (MIG) e Tungsten Inert Gas (TIG).
  • O estudo determinou o impacto do volume total acumulado de soldadura (TAWV), em conjunto com vários ângulos de chanfro, na resistência última à tração (UTS) de juntas cilíndricas de aço AISI 1040 e AISI 8620.
  • Verificou-se que as juntas soldadas por TIG atingiram uma UTS média de 1 500 MPa, claramente superior à obtida em todas as outras configurações, com o aumento do TAWV. O estudo centra-se na seleção dos parâmetros de soldadura mais adequados para alcançar uma eficiência de junta suficiente.

3. Propriedades mecânicas e microestruturais de juntas dissimilares de aço inoxidável austenítico 304L e liga de níquel Incoloy 800HT soldadas por TIG

• Autores: G. Rogalski et al.
• Revista: Metals
• Data de publicação: 26 de abril de 2020
• Citação: (Rogalski et al., 2020)
• Resumo:
  • Esta investigação analisa as propriedades mecânicas e microestruturais de juntas dissimilares soldadas de aço inoxidável austenítico 304L e liga de níquel Incoloy 800HT, com recurso à técnica de soldadura TIG.
  • Os resultados indicaram que a resistência à tração das juntas soldadas era superior à dos materiais de base e que se obtiveram soldaduras sem defeitos.
  • O estudo destaca a importância das características microestruturais na interface de fusão, uma vez que estas determinam o comportamento mecânico das juntas.