Como é fabricado o tubo sem costura? Por dentro do processo de perfuração Mannesmann, passo a passo

O tubo de aço sem costura começa como um tarugo de aço maciço e redondo e termina como um tubo oco, sem nenhuma costura de solda ao longo do comprimento. Como é feito o tubo sem costura é a pergunta respondida por este guia sobre o processo Mannesmann, que não mudou fundamentalmente em mais de um século. Suas etapas são aquecimento do tarugo, perfuração por rolos oblíquos, alongamento, calibração, tratamento térmico e os ensaios que fundamentam o certificado de ensaio da usina. Além dessas etapas, o guia compara três rotas de laminadores de perfuração, mostra em que ponto o risco de defeito de cada etapa de produção é detectado e explica como a Synbase executa o processo internamente.

O que “sem costura” realmente significa em comparação com um tubo soldado (e por que não é apenas uma expressão de marketing)

“Sem costura” é uma afirmação sobre a rota de fabricação, não um adjetivo de marketing. O tubo sem costura é perfurado e conformado a partir de um único tarugo de aço maciço, portanto não há nenhuma costura de solda longitudinal ou helicoidal na parede do tubo. O tubo soldado — ERW (solda por resistência elétrica) ou SAW (solda por arco submerso) — começa como chapa ou bobina de aço plana, é enrolado em formato cilíndrico e unido ao longo de uma costura.

Ambos são métodos de fabricação legítimos; a diferença está na origem da resistência e da integridade da parede do tubo.

Este processo de fabricação de tubos sem costura abrange graus de carbono, liga e inoxidável, todos perfurados a partir de um tarugo maciço em vez de laminados de chapa. É o ponto de partida da fabricação de tubos de aço sem costura: a escolha do grau ocorre na etapa do tarugo, antes da perfuração.

1885 e os irmãos Mannesmann — onde o processo recebeu seu nome

Os irmãos alemães Reinhard e Max Mannesmann desenvolveram o processo de perfuração por rolos oblíquos rotativos em 1885 e o patentearam em 1886, estabelecendo a rota de fabricação por trás dos modernos tubos sem costura. Antes disso, tubos sem costura podiam ser fundidos e furados, mas essa rota era lenta, gerava desperdício e tinha alto custo. A ideia deles era mecânica: ao laminar um tarugo redondo maciço entre dois rolos inclinados e rotativos, o centro da barra desenvolve uma cavidade pela tensão interna de tração, e uma ponta de perfuração fixa pode então abrir essa cavidade, formando um diâmetro interno uniforme.

Uma referência de engenharia revisada por pares atribui nominalmente aos irmãos Mannesmann a invenção desse processo de perfuração por rolos oblíquos e confirma que ele é a origem da moderna indústria de tubos sem costura. Em 1891, os irmãos também desenvolveram o laminador pilger, ampliando o mesmo princípio de conformação rotativa para a etapa de alongamento. Grandes fabricantes de laminadores ainda remontam sua linhagem a essa invenção: o SMS group, um dos maiores fabricantes atuais de equipamentos para usinas de tubos sem costura, inicia sua própria visão técnica geral da fabricação de tubos sem costura com a mesma data de 1885.

Em menos de uma década, o processo atravessou o Atlântico. A National Tube Co. produziu o primeiro tubo sem costura da América do Norte perfurado por rolos oblíquos em Ellwood City, Pennsylvania, em 1895 — originalmente para tubos de quadros de bicicletas de alta qualidade. O princípio mecânico da patente original — girar um tarugo incandescente entre rolos inclinados sobre uma ponta de perfuração fixa — ainda funciona dentro de um laminador de perfuração moderno. Isso é mais do que uma curiosidade histórica: a Synbase afirma que seus laminadores internos de rota Mannesmann operam dentro de seu sistema de gestão da qualidade ISO 9001 e usam a mesma ação básica de formação de cavidade da patente de 1886, com controle dimensional moderno e detecção de defeitos sobrepostos.

Etapa 1 — O tarugo: onde todo tubo sem costura começa

Todo tubo sem costura começa como um tarugo de aço maciço e redondo — não como chapa plana nem bobina. A fabricação de tubos de aço inoxidável sem costura começa com a composição química do tarugo inoxidável, enquanto a mesma regra de começar pelo tarugo se aplica à produção de tubos sem costura de aço-carbono ou de aço-liga Cr-Mo. A seleção do grau é definida antes da conformação, ao contrário de um processo de tubo soldado, no qual a bobina ainda pode ser direcionada para diferentes especificações de soldagem a jusante.

Os inspetores verificam a superfície do tarugo quanto a trincas, dobras e outros defeitos antes de ele entrar no forno. Uma falha superficial nessa etapa pode ser incorporada ao vazio perfurado e reaparecer como defeito de espessura de parede ou interno várias etapas depois — o primeiro de vários pontos de controle de qualidade específicos de cada etapa, abrangidos em Tratamento térmico e controle de qualidade final.

Etapa 2 — Perfuração: transformando uma barra maciça em um tubo oco

O tarugo aquecido entra em um laminador de perfuração por rolos oblíquos — também chamado de perfurador Mannesmann — onde dois ou três rolos inclinados e rotativos agarram a barra e a puxam para a frente enquanto a fazem girar. À medida que o tarugo gira e avança, a tensão interna de tração abre uma cavidade ao longo de seu eixo central, e o tubo cresce sobre uma ponta de perfuração rígida sustentada por um longo mandril refrigerado a água.

Durante a perfuração, o tubo e o mandril giram juntos a 200-800 rotações por minuto — mecanicamente violento de observar, mas rigidamente controlado. Máquinas chamadas estabilizadores de barra, posicionadas ao longo da mesa de saída do laminador, prendem o mandril para mantê-lo estável enquanto o tubo passa por cada uma delas em sequência.

“Muitos laminadores de tubos sem costura norte-americanos em uso atualmente foram construídos na década de 1950 com base em projetos desenvolvidos na década de 1930.”

Laminadores modernos de alto desempenho usam uma máquina de centralização de tarugos para fazer rebaixos nas extremidades do tarugo antes da perfuração, ajudando a ponta a entrar centralizada, pois a entrada descentralizada causa defeitos de “anel de cebola” nas extremidades do tubo. Os laminadores usam centralização em processo e controle de excentricidade como ponto de controle de qualidade dessa etapa, medindo imediatamente após a perfuração a excentricidade da espessura de parede, em vez de esperar até o acabamento do tubo. O que sai do laminador de perfuração é uma carcaça oca bruta e de parede espessa; a rota utilizada determina como ela alcançará as dimensões finais.

Laminador Mannesmann de tampão versus laminador de mandril versus Assel/PPM — qual rota de perfuração produz cada tubo

“Laminador de perfuração” não é uma única máquina — é uma família de três rotas de produção distintas, e aquela que fabricou determinado tubo define sua faixa prática de DE, a tolerância de espessura de parede e o uso final típico. Chamamos isso de Mapa de perfuração em 3 rotas, porque os compradores raramente veem essa divisão apresentada dessa forma, embora ela explique a maioria das dúvidas de dimensões e tolerâncias que surgem ao especificar tubos sem costura.

Fontes: faixas dos laminadores Mannesmann de tampão e de mandril. Rota do laminador Assel e faixa dimensional. As duas rotas são corroboradas como os dois métodos de perfuração predominantes na literatura de patentes.

Em um laminador de mandril, vários suportes de dois rolos laminam longitudinalmente a carcaça oca sobre uma barra de mandril. O processo é usado comercialmente desde a década de 1970, e sua produção OCTG atende diretamente à construção de poços de petróleo e gás. Em contraste, um laminador Assel usa laminação transversal com três rolos e é historicamente preferido quando o tubo precisa ser usinado depois — pistas de rolamentos são o exemplo clássico — porque mantém maior precisão dimensional em paredes médias a espessas. Os laminadores Assel modernos de alto desempenho praticamente dobraram o diâmetro máximo tradicionalmente produzível, alcançando até 460mm de DE e 80mm de espessura de parede.

Etapas 3-4 — Alongamento e calibração: alcançando as dimensões finais

O que sai do laminador de perfuração é uma carcaça oca bruta e de parede espessa — não um tubo acabado. Durante o alongamento, essa carcaça passa pelo laminador de mandril para reduzir substancialmente a espessura da parede no mesmo processo de laminação a quente, normalmente passando de uma parede de aproximadamente 30-50mm para uma parede acabada na faixa de 5-25mm.

Após o alongamento, o tubo passa por um laminador de calibração ou por um laminador de redução por estiramento, onde uma série de suportes de três rolos leva o diâmetro externo e a espessura de parede à especificação final. As causas mecânicas do desvio de espessura de parede diferem entre a laminação com mandril e a redução por estiramento, portanto os laminadores realizam verificações dimensionais separadas em cada etapa, em vez de uma única inspeção abrangente no final. No laminador de redução, o diâmetro externo diminui enquanto a espessura de parede aumenta ligeiramente — direção oposta à do alongamento. Por isso, os laminadores usam inspeção dimensional passe a passe como ponto de controle de qualidade entre o alongamento e a calibração.

Tubos acabados a quente versus trefilados a frio — por que o último passe muda tudo

Neste ponto, o tubo pode seguir duas direções. O tubo sem costura acabado a quente não recebe um passe posterior de trefilação a frio após a calibração a quente; em geral, tem tolerância dimensional mais ampla, superfície com carepa antes do acabamento e menor custo unitário. O tubo sem costura trefilado a frio — um produto de tubos de aço de precisão — é puxado através de uma matriz à temperatura ambiente depois do fim da laminação a quente, o que reduz substancialmente as tolerâncias de DE e espessura de parede e deixa um acabamento mais liso e brilhante.

A figura de tolerância de espessura de parede foi corroborada independentemente em três fontes.

Exemplo prático: uma especificação de laminador que exige espessura de parede nominal de 10mm segundo a ASTM A106 permite que o tubo opere com espessura mínima de 8,75mm em qualquer ponto (10mm × (1 − 0.125)). A trefilação a frio proporciona controle dimensional mais estreito que o acabamento a quente, mas a aceitação ainda depende dos resultados medidos em relação à norma encomendada. Aplicações em trocadores de calor, caldeiras, mecânicas e tubos de pressão usam suas próprias normas de produto, portanto a condição de acabamento, por si só, não estabelece intercambiabilidade.

Tratamento térmico e controle de qualidade final para tubos de aço sem costura — como os defeitos são detectados antes do certificado de ensaio da usina

Cada etapa deste processo — aquecimento do tarugo, perfuração, alongamento, calibração, trefilação — tem um modo de defeito característico, e os laminadores detectam cada um com um método de inspeção específico e correspondente, em vez de uma única verificação final genérica. Chamamos essa correspondência etapa a etapa de Registro de defeitos do aquecimento ao hidroteste.

Sequenciamento ET→UT e correspondência de defeitos. Correspondência entre teste hidrostático e defeitos. Defeitos de tubos sem costura associados à conversão de um tarugo maciço em um cilindro oco.

O próprio tratamento térmico — normalização ou recozimento, quando o grau e a condição de fornecimento exigirem — controla a microestrutura e as propriedades mecânicas após a conformação a quente ou o trabalho a frio. Um certificado de ensaio da usina (MTC) deve registrar as inspeções e os resultados de ensaio exigidos pela norma do produto encomendada e pela especificação de compra; ET, UT e ensaio hidrostático não são automaticamente exigidos na mesma combinação para todo grau e pedido. Um certificado de inspeção EN 10204 3.1 documenta resultados específicos de inspeção validados pelo representante autorizado de inspeção do fabricante, independentemente do departamento de produção. Consulte nosso guia de tubos para caldeiras para saber como o plano de controle de qualidade muda em serviços de caldeiras e geração de energia.

Quais são os defeitos mais comuns na fabricação de tubos sem costura?

Os defeitos comuns podem remontar à perfuração, laminação ou acabamento: excentricidade da espessura de parede, dobras ou costuras internas, indentações relacionadas ao mandril e outras falhas subsuperficiais que podem exigir ET ou UT para serem detectadas. Falhas no teste hidrostático do tubo acabado podem se manifestar como trincas ou vazamentos e normalmente indicam um defeito preexistente do material ou da fabricação, em vez de dano criado pelo próprio teste.

Sem costura versus ERW — por que a rota de fabricação (e não apenas o produto) é importante

Tubos sem costura e ERW (solda por resistência elétrica) são comparados constantemente, mas a diferença relevante é mecânica, não estética: o tubo sem costura não tem nenhuma costura de solda na parede, enquanto o tubo ERW tem uma costura contínua soldada por resistência ao longo de todo o comprimento. Essa costura recebe sua própria classificação de qualidade.

Distinção da rota de fabricação e foco da inspeção relacionado à costura.

Os fatores de projeto admissíveis e o escopo da inspeção são específicos do código, do material, do processo e do serviço, em vez de serem fixados apenas pelas palavras “sem costura” ou “soldado”. Os tubos ERW e SAW modernos podem ser totalmente qualificados para muitos serviços quando o procedimento de soldagem, a inspeção da costura e os ensaios do corpo do tubo atendem à norma vigente e ao pedido de compra. O tubo sem costura mantém uma vantagem prática quando a eliminação de uma solda longitudinal simplifica a avaliação da integridade em condições exigentes de pressão, temperatura ou corrosão.

Como os tubos sem costura diferem dos tubos soldados?

Mecanicamente, o tubo sem costura é perfurado a partir de um tarugo maciço, enquanto o tubo soldado é laminado de chapa ou bobina e unido ao longo de uma costura que é inspecionada separadamente do material de base. Uma costura devidamente soldada e totalmente ensaiada pode atender à mesma classificação de pressão em serviços de menor tensão; a distinção prática é que o tubo sem costura não tem costura de solda para inspecionar, reduzir de classificação ou apresentar falha preferencial.

Dentro da linha de produção de tubos sem costura da Synbase — do tarugo ao MTC

Tudo o que foi descrito acima é um processo real e interno da Synbase, sem etapas terceirizadas ou subcontratadas. A Synbase executa internamente todo o processo de fabricação Mannesmann — aquecimento do tarugo, perfuração por laminação cruzada, alongamento no laminador de mandris, calibração e redução, tratamento térmico, trefilação a frio quando especificada, ensaio ultrassônico de corpo inteiro mais ensaio hidrostático e certificação de ensaio da usina conforme EN10204 3.1.

Os materiais fornecidos pela empresa descrevem 7 linhas dedicadas de produção de tubos sem costura, abrangendo aço-carbono, aço inoxidável, aço-liga Cr-Mo, tubos para caldeiras, tubos para trocadores de calor, tubos mecânicos sem costura e tubos para serviço em baixa temperatura. Os produtos podem ser fornecidos com certificados de inspeção EN 10204 3.1 quando exigido pelo pedido; a EN 10204 define tipos de documentos de inspeção, sem certificar uma linha de produção. A linha de aço inoxidável começa com um tarugo maciço de aço inoxidável obtido pela mesma cadeia de suprimentos documentada das linhas de carbono e de liga.

Os materiais fornecidos pela empresa identificam a Synbase como a unidade de equipamentos para dutos do E-CHENG STEEL GROUP, cuja base de fabricação também abrange tubos soldados, conexões, flanges e válvulas. Esses materiais listam as certificações ISO 9001, ISO 14001 e ISO 45001, a filiação à China Iron and Steel Association, reconhecimentos do grupo em tecnologia e fábrica verde e um portfólio de pesquisa do grupo com mais de 800 patentes nacionais. Eles também listam relações de fornecimento com Baosteel, Tianjin Pipe Corporation (TPCO), Ansteel e TISCO, além de exportações para clientes em mais de 100 países. Essas declarações específicas da organização devem ser verificadas com base em certificados atuais, registros de parcerias e documentos de titularidade das patentes durante a qualificação do fornecedor.

Escolha de um fornecedor de tubos sem costura — o que perguntar sobre o processo

Como “sem costura” é uma alegação sobre a rota de fabricação, ela também pode ser deturpada — por exemplo, um tubo soldado pode ser reidentificado ou vendido sem divulgar seu processo real. Compradores que sabem o que solicitar podem detectar isso antes que se torne um problema no projeto. Chamamos isso de Lista de verificação de sinais de alerta de reidentificação.

Solicite o certificado de inspeção exigido pelo pedido — geralmente EN 10204 3.1, ou 3.2 quando for especificada validação pelo comprador ou por terceiros — e exija que o pacote de rastreabilidade do fornecedor divulgue o processo de fabricação e a rota de perfuração. O certificado e os registros de apoio devem conter um número da corrida rastreável até a fusão, a composição química, os resultados mecânicos e qualquer ensaio não destrutivo exigido pela norma do produto ou pelo pedido de compra.

A fraude em certificados é um risco documentado de suprimentos: os sinais de alerta incluem certificados de ensaio reutilizados, números de corrida incompatíveis e documentos alterados. Comprar de uma marca conhecida não elimina a necessidade de comparar a marcação do tubo, o pedido de compra, o certificado e os registros de inspeção de apoio no recebimento.

As especificações específicas do grau também importam depois que o próprio processo é verificado — consulte nosso seletor de graus de aço-carbono, o seletor de graus de aço-liga Cr-Mo e o seletor de graus de aço inoxidável para relacionar a especificação à aplicação, ou leia nosso guia de graus de aço-liga Cr-Mo para detalhes de serviço em temperaturas elevadas. Para confirmar a rota de perfuração, a norma do MTC e o prazo de entrega atual de acordo com seu requisito de diâmetro e espessura de parede, solicite uma cotação diretamente.

Perguntas frequentes

Redigido pela equipe técnica da Synbase Steel Co., Ltd.