I tubi d'acciaio sono la spina dorsale dell'industria del petrolio e del gas e vengono utilizzati in ogni fase, dall'estrazione alla lavorazione fino al trasporto.
La selezione del tipo corretto di tubo è fondamentale per garantire operazioni sicure, efficienti e affidabili.
ILdue categorie principali di tubi in acciaio sono senza saldatura e saldati, ciascuno con caratteristiche e applicazioni uniche.
In questo articolo forniremo un confronto completo tra tubi senza saldatura e saldati nel contesto dell'industria petrolifera e del gas.
Tratteremo i processi di produzione, le proprietà essenziali e i vantaggi di ciascun tipo e le applicazioni più comuni.
Discuteremo anche le varie opzioni di materiali, tra cui acciaio al carbonio, acciaio legato, acciaio inossidabile e leghe di nichel, e guideremo sulla selezione della qualità corretta per i diversi ambienti.
Infine, approfondiremo gli aspetti pratici della specifica e dell'ordinazione dei tubi, compresi gli standard, le dimensioni e le finiture finali pertinenti.
Alla fine di questo articolo, comprenderai a fondo le differenze tra tubi senza saldatura e tubi saldati e sarai in grado di prendere decisioni informate per i tuoi progetti nel settore petrolifero e del gas.
Spiegazione dei tipi di tubi
L'industria del petrolio e del gas utilizza tre principali tipi di tubi in acciaio: senza saldatura, ERW (saldati a resistenza elettrica) e LSAW (saldati ad arco sommerso longitudinale).
Tubi senza saldaturasono realizzati con solide billette di acciaio che vengono riscaldate e spinte o tirate su una forma per creare un tubo cavo senza giunture saldate.
Sono comunemente utilizzati per applicazioni ad alta-pressione in operazioni upstream come perforazione ed esplorazione, trasmissione di fluidi midstream, raffinazione downstream e servizi di pubblica utilità.
Tubi ERWsono realizzati utilizzando-formatura a freddo, modellando bobine di acciaio in forme cilindriche e la giuntura viene saldata insieme utilizzando una corrente elettrica.
Il cordone di saldatura corre lungo la lunghezza del tubo. I tubi ERW sono convenienti-per applicazioni a pressione da bassa-a-media-, come il trasporto di acqua, petrolio e gas.
Tubi LSAWsono realizzati piegando e saldando piastre di acciaio nel senso della lunghezza, con la cucitura diritta (cucitura longitudinale) o a spirale.
Vengono utilizzati per tubi di grande-diametro (16-60 pollici) in applicazioni critiche, come oleodotti e gasdotti a lunga distanza che attraversano città o sott'acqua.
La tabella seguente riassume le principali differenze tra questi tipi di tubi e le loro applicazioni tipiche nell'industria del petrolio e del gas:
| Tipo di tubo | Produzione | Valutazione della pressione | Applicazioni tipiche |
|---|---|---|---|
| Senza soluzione di continuità | Nessun cordone di saldatura | Alto | A monte, a metà corrente, a valle |
| ERW | Una cucitura diritta | Basso-medio | Trasporto di acqua, petrolio e gas |
| LSAW | 1-2 cuciture diritte o a spirale | Basso-medio | Trasporto di acqua, petrolio e gas |
Processo di produzione di tubi senza saldatura, ERW e LSAW
Produzione di tubi senza saldatura
I tubi senza saldatura sono realizzati attraverso un processo di lavorazione a caldo senza saldature. I passaggi principali sono:
Una billetta d'acciaio solida e rotonda viene riscaldata in un forno a suola rotante a circa 1204°C/2200°F.
La billetta rovente-viene quindi forata al centro utilizzando una punta perforante per creare un tubo cavo.
Il tubo cavo passa attraverso un mulino a tappi, dove viene inserito un mandrino. Il tubo viene quindi arrotolato per ridurre lo spessore della parete e aumentare la lunghezza.
Il tubo viene quindi fatto passare attraverso supporti di calibratura per ottenere le dimensioni finali.
Dopo il raffreddamento, il tubo viene raddrizzato, tagliato a misura, testato e spedito.
I tubi senza saldatura possono essere ulteriormente trafilati a freddo per produrre tubi con diametri più piccoli e pareti più sottili.
Produzione tubi ERW
I tubi ERW sono realizzati mediante formatura a freddo- di bobine di acciaio e saldatura della giuntura:
La bobina di acciaio di larghezza e spessore appropriati viene selezionata e caricata su uno svolgitore.
Il nastro passa attraverso dei rulli, assumendo progressivamente una forma rotonda.
I bordi longitudinali vengono riscaldati facendo passare tra loro una corrente ad alta-frequenza.
I rulli premono insieme i bordi per creare una saldatura per fusione senza aggiungere metallo d'apporto.
Il tubo saldato passa attraverso supporti di calibratura per raggiungere il diametro finale.
Il tubo viene tagliato a misura, le estremità vengono formate (lisce, smussate, filettate, ecc.) e il tubo viene testato prima della spedizione.
L'intero processo ERW è continuo, con il tubo che si muove a velocità costante attraverso le gabbie di formatura e saldatura.
Produzione di tubi LSAW
I tubi LSAW sono realizzati in lamiera d'acciaio formata e saldata:
Vengono selezionate le lamiere di acciaio e i bordi vengono fresati per prepararle alla saldatura.
La piastra viene pre-piegata su una pressa piegatrice per iniziare a darle una forma rotonda.
La pressione AU- dà alla piastra una forma a U-e la pressione O-chiude la U in un tubo.
La cucitura longitudinale viene inizialmente puntata all'interno per tenere insieme i bordi.
Il tubo viene quindi fatto passare attraverso stazioni di saldatura automatiche che effettuano più passaggi di saldature ad arco sommerso all'interno e all'esterno del cordone.
Un espansore meccanico espande leggermente il tubo saldato per ottenere una forma rotonda adeguata.
Il tubo viene tagliato a misura, smussato, testato idrostaticamente e ispezionato prima della spedizione.
I tubi LSAW sono generalmente utilizzati per diametri maggiori (16" e superiori) e hanno pareti più spesse rispetto ai tubi ERW.
Pro e contro dei tubi senza saldatura, ERW e LSAW
Tubi senza saldatura
Pro:
L'assenza di cordoni di saldatura elimina potenziali punti deboli e consente valori di pressione più elevati
Una superficie interna liscia riduce l'attrito e la turbolenza per migliori caratteristiche di flusso
Robustezza, durata e resistenza superiori alle forze di flessione e di impatto
Eccellente resistenza alla corrosione grazie alla mancanza di cordoni di saldatura
Gestisce bene temperature e pressioni elevate, rendendolo ideale per applicazioni critiche nel settore petrolifero e del gas, chimico ed energetico
Contro:
Più costosi dei tubi saldati a causa del complesso processo di produzione
Gamma di dimensioni limitate, con sfide nella produzione di diametri molto piccoli o molto grandi
Lunghezze maggiori sono complicate, quindi le opzioni relative alle dimensioni potrebbero essere più limitate rispetto ai tubi saldati
Pareti più spesse e peso maggiore rispetto ai tubi saldati
Tubi ERW
Pro:
Costi inferiori rispetto a quelli senza soluzione di continuità grazie a un processo di saldatura più semplice e automatizzato
Disponibile in lunghezze maggiori poiché non ci sono restrizioni di dimensionamento come senza cuciture
Pareti più sottili e peso più leggero rispetto al modello senza cuciture pur mantenendo una buona resistenza
Superfici interne ed esterne lisce
Adatto per applicazioni generiche a pressione da bassa a moderata-come servizi pubblici ed edilizia
Contro:
Il cordone di saldatura è un potenziale punto debole rispetto al sistema senza giunzioni, poiché riduce i valori di pressione
La saldatura è più suscettibile alla corrosione rispetto al corpo senza saldatura
Sono necessari test approfonditi sul cordone di saldatura per garantirne l'integrità
Non adatto per applicazioni critiche ad alta-pressione, alta-temperatura o servizi gravosi
Tubi LSAW
Pro:
Gestisce pressioni e carichi meccanici più elevati rispetto a ERW a causa delle pareti più pesanti e dei passaggi di saldatura multipli
Flessibilità di dimensionamento-una scelta comune per tubi di grande diametro superiori a 16"
Tolleranze strette e buon controllo dimensionale
Adatto per applicazioni critiche come-linee di trasporto di petrolio e gas a lunga distanza
Contro:
È più costoso dell'ERW a causa dei materiali più pesanti e del processo di saldatura specializzato
Possibili difetti di saldatura se il processo non è adeguatamente controllato e richiede ispezioni e test rigorosi
Le pareti spesse e pesanti aumentano i costi dei materiali rispetto a ERW
Limitazioni di dimensioni e lunghezza rispetto a ERW
In sintesi, i tubi senza saldatura offrono la massima robustezza, capacità di pressione e resistenza alla corrosione, rendendoli ideali per applicazioni impegnative nel settore petrolifero e del gas, chimico e nelle centrali elettriche.
I compromessi sono costi più elevati e opzioni di dimensioni più limitate.
L'ERW è una scelta conveniente-per applicazioni di pubblica utilità e di costruzione in cui il cordone di saldatura non rappresenta un grave problema di integrità.
Offre una vasta gamma di taglie e lunghezze lunghe.
LSAW è un'opzione saldata-per impieghi gravosi per tubazioni ad alta-pressione di-diametro elevato e che richiedono la massima qualità di saldatura e ispezione.
Le saldature multi-passaggio forniscono una resistenza che si avvicina al perfetto.
La chiave è selezionare il prodotto giusto sulla base di una valutazione approfondita dell'applicazione e della pressione, temperatura, corrosività e criticità dell'ambiente.
Scelta dei tipi di acciaio ideali per tubazioni di petrolio e gas
Acciaio legato
Gli acciai legati contengono elementi leganti oltre al ferro e al carbonio per migliorare robustezza, tenacità, resistenza alla corrosione o prestazioni alle alte-temperature.
Gli acciai bassolegati (contenuto di lega inferiore all'8%) sono comunemente utilizzati nell'industria del petrolio e del gas per:
Aste di perforazione e collari di perforazione
Involucro e tubi
Valvole, teste pozzo e alberi di Natale
Elementi di fissaggio come dadi, bulloni e prigionieri
Gli elementi di lega conferiscono maggiore resistenza, consentendo l'utilizzo di pareti più sottili, con conseguente riduzione di peso e costi. Alcune leghe resistono anche alla rottura e alla corrosione da parte dell'idrogeno solforato (H2S).
Acciaio al carbonio
Gli acciai al carbonio contengono principalmente ferro e carbonio, con solo quantità residue di altri elementi.
Sono classificati come a basso, medio o alto contenuto di carbonio in base al contenuto di carbonio. Gli acciai al carbonio sono ampiamente utilizzati nel settore petrolifero e del gas per:
Linee di flusso e condutture
Serbatoi di stoccaggio e recipienti a pressione
Componenti strutturali come travi, piastre e tubolari
Sistemi di tubazioni a bassa-pressione
Gli acciai al carbonio sono resistenti, tenaci e relativamente economici.
Tuttavia, hanno una scarsa resistenza alla corrosione e sono suscettibili al cracking di H2S in servizio acido. Spesso sono necessari inibitori o rivestimenti.
Acciaio inossidabile
Gli acciai inossidabili contengono almeno il 10,5% di cromo, che forma uno strato protettivo di ossido sulla superficie, garantendo un'eccellente resistenza alla corrosione.
I gradi utilizzati nel petrolio e nel gas includono:
Austenitico (serie 300): 304, 316, 317, 321, 347
Ferritico: 405, 430
Martensitico: 410, 420, 431
Duplex:2205, 2507 super duplex
L'acciaio inossidabile viene utilizzato per componenti critici esposti all'acqua di mare, all'acqua prodotta, alla CO2, ai cloruri e agli ambienti leggermente acidi:
Attrezzatura sottomarina
Componenti della testa di pozzo e dell'albero di Natale
Scambiatori di calore e recipienti a pressione
Tubazioni, valvole e strumentazione
L'elevata resistenza dei gradi duplex consente pareti più sottili, mentre i super austenitici e super duplex forniscono resistenza alle condizioni aggressive.
Tuttavia, l’acciaio inossidabile ha un costo iniziale più elevato rispetto all’acciaio al carbonio.
Leghe di nichel
Le leghe di nichel contengono alti livelli di nichel e altri elementi come cromo e molibdeno per la massima resistenza alla corrosione, anche in ambienti caldi, acidi e altamente acidi. I gradi comuni includono:
Nichel-rame:Monel 400, K-500
Ferro nichel-cromo-: 825, 625, 718
Nichel-cromo-molibdeno: C-276, 2550, 686
Nichel-ferro-cromo:800, 800H, 800HT
Le leghe di nichel vengono utilizzate per le applicazioni più impegnative in cui gli acciai inossidabili sono inadeguati:
Pozzi e linee di flusso di gas acido
Collettori e ponticelli sottomarini
Strumenti per fondo pozzo e valvole di sicurezza
Recipienti e tubazioni in raffinerie e impianti di gas
L’eccellente resistenza alla corrosione e la stabilità alle alte temperature hanno un costo notevolmente più elevato rispetto agli acciai inossidabili.
Le leghe di nichel sono riservate agli ambienti difficili che degraderebbero rapidamente altre leghe.
L'acciaio al carbonio è una scelta economica per molte applicazioni nel settore petrolifero e del gas, mentre gli acciai legati forniscono maggiore resistenza e tenacità quando necessario.
Gli acciai inossidabili resistono alla corrosione in ambienti acquosi, mentre le leghe di nichel aumentano le prestazioni in condizioni calde, acide e acide.
La composizione del fluido, la temperatura e la pressione devono essere valutate attentamente per selezionare la lega ottimale per affidabilità e sicurezza a lungo termine.
Comprensione delle dimensioni e delle dimensioni dei tubi senza saldatura e saldati
Dimensione nominale del tubo (NPS)
La dimensione del tubo è generalmente specificata dalla dimensione nominale del tubo (NPS), che è un indicatore adimensionale. Per le dimensioni da 1/8 a 12 pollici, l'NPS corrisponde al diametro interno (ID) approssimativo del tubo in pollici, utilizzando le frazioni comuni. Ad esempio, un tubo NPS 2 ha un diametro interno di circa 2,1 pollici.
Per le dimensioni da 14 pollici e superiori, NPS è il diametro esterno (OD) approssimativo in pollici. Quindi, un tubo NPS 20 ha un diametro esterno di circa 20 pollici.
È importante notare che il diametro esterno e il diametro interno esatti varieranno a seconda dello spessore della parete specificato.
Spessore della parete
Lo spessore della parete determina la pressione nominale e il peso del tubo. In genere è specificato dal numero della scheda (Sch) o dallo spessore effettivo in pollici o millimetri.
I numeri di pianificazione standard sono 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 e 160. Maggiore è il numero, più spesso è il muro. Ad esempio, un tubo NPS 6 Sch 40 ha uno spessore di parete di 0,280", mentre un tubo NPS 6 Sch 80 ha uno spessore di parete di 0,432".
Per un dato NPS, i tubi con pianificazioni diverse avranno lo stesso diametro esterno ma ID diversi. L'OD rimane costante e l'ID diminuisce man mano che la parete si ispessisce.
Standard ASME pertinenti
L'ASME (American Society of Mechanical Engineers) pubblica diverse norme che riguardano le dimensioni dei tubi realizzati con vari materiali:
ASME B36.10:Acciaio al carbonio e acciaio legato saldati e senza saldatura
ASME B36.19:Acciaio inossidabile
ASME B36.20:Materiale metallico per applicazioni generali
ASME B36.21:Materiale non metallico per applicazioni generali
Questi standard forniscono tabelle di dimensioni per NPS da 1/8 a 80, specificando diametro esterno, diametro interno, spessore della parete, peso per piede e altri parametri critici per ciascuna combinazione di NPS e pianificazione o spessore della parete.
Gli standard garantiscono dimensioni coerenti tra i produttori, sebbene siano consentite alcune variazioni entro le tolleranze specificate.
Fare riferimento allo standard pertinente quando si specifica o si ordina un tubo è fondamentale per garantire che le dimensioni soddisfino i requisiti dell'applicazione, il codice delle tubazioni e le normative.
Lunghezze di tubi saldati e senza saldatura e finiture finali
Lunghezze dei tubi
I tubi in acciaio sono comunemente disponibili in tre opzioni di lunghezza:
Lunghezze casuali singole (SRL)sono l'opzione più comune ed economica. Le lunghezze esatte varieranno ma in genere sono lunghe da 16 a 24 piedi. Il mulino ottimizza le lunghezze per ridurre al minimo gli scarti durante la produzione.
Lunghezze doppie casuali (DRL):Questi sono lunghi il doppio del singolo casuale e vanno da 32 a 48 piedi. Sono meno comuni e possono avere una disponibilità limitata, ma possono ridurre le connessioni richieste in una lunga pipeline.
Lunghezze di taglio specifiche:I tubi possono essere ordinati con lunghezze specifiche in base alle esigenze del cliente. Questo è più costoso in quanto potrebbe creare più scarti per la cartiera e richiedere ulteriori operazioni di installazione e gestione. Le lunghezze di taglio vengono solitamente specificate solo quando la lunghezza esatta è fondamentale, come per la fabbricazione di bobine o installazioni offshore in cui i giunti devono adattarsi perfettamente.
Le lunghezze disponibili possono variare anche in base alle dimensioni e allo spessore della parete del tubo. Diametri maggiori e pareti più pesanti sono più difficili da maneggiare e trasportare, per cui possono essere limitati a lunghezze inferiori.
Finiture finali
Le estremità del tubo possono essere rifinite in diversi modi a seconda di come verrà unito:
Estremità liscia (PE):Le estremità sono tagliate quadrate e lasciate grezze. Questa è l'opzione più semplice adatta per saldature o accoppiamenti meccanici.
Estremità smussata (BE):Le estremità vengono tagliate ad angolo, generalmente di 30 gradi o 37,5 gradi, per creare una scanalatura a V-per la saldatura. Lo smusso consente la completa penetrazione del metallo saldato nel giunto. Le estremità smussate sono la scelta più comune per le costruzioni saldate.
Estremità filettata (TE):Le estremità sono filettate esternamente (maschio) o internamente (femmina) per consentire l'avvitamento dei tubi. Le connessioni filettate vengono comunemente utilizzate per applicazioni a bassa-pressione come linee idriche o aeree e installazioni temporanee o portatili. Le filettature possono essere coniche (NPT) o diritte (BSPP o BSPT).
Filettati e accoppiati (T&C):Un'estremità è filettata esternamente e su di essa è avvitato un giunto (manicotto). L'altra estremità del raccordo è filettata internamente per accogliere il tubo successivo. Ciò consente un rapido montaggio e smontaggio sul campo.
Estremità scanalata:Una scanalatura viene tagliata attorno alla circonferenza del tubo vicino all'estremità per accettare un accoppiamento meccanico. I giunti scanalati consentono un'installazione rapida e una certa flessibilità nel giunto per adattarsi all'espansione o alla contrazione termica.
