Tratamento estatístico de percentuais de elementos químicos e das propriedades mecânicas previstas em normas de graus de tubos de aços carbono: estudo de caso

Abstract

A aplicação de tubos de aço carbono possui uma ampla variedade de produtos que engloba diversos segmentos, sendo para o mercado da construção civil: andaimes, estruturas, pontes, telhados, entre outros; detendo também um percentual representativo no segmento automotivo: chassi, buchas, eixos de suspensão, barras de proteção, estruturas de bancos, sistema de exaustão, suporte de painéis, entre outras finalidades. O segmento de óleo e gás também chama a atenção na demanda, que se desmembra em: tubos de aço carbono para condução de gás e petróleo. Devido as suas diversas aplicações, este mercado exige um alto grau de segurança e para assegurar que estes tubos irão resistir o esforço mecânico o qual será aplicado, os mesmos devem ser ensaiados. O ensaio mecânico de tração é o mais utilizado para informar os resultados necessários, podendo ser ensaiado em corpos de prova do próprio tubo, ou por meio de um corpo de prova retirado do tubo, isso depende do diâmetro do tubo que acaba sendo uma restrição. Este ensaio informa as propriedades mecânicas, sendo as de maior importância nos tubos de aço carbono: o limite de escoamento (LE), limite de resistência à tração (LR) e alongamento (AL). Entretanto, tubos de aço soldados longitudinalmente podem ser fabricados em diferentes espessuras, materiais e dimensões distintas, em que determinados percentuais de tubos não atendem as especificações normativas inicialmente programadas, para a produção de acordo com o especificado pelo cliente. O estudo tem como proposta verificar se as normas de graus de aço TUPER S/A (Grau J55), SAE J403 (Grau SAE 1021) e TUPER S/A (Grau TUP L80B) atendem às normas de graus de tubos de aço carbono utilizando 6034 dados experimentais de composição química e propriedade mecânica LE, LR e AL oriundos de um banco de dados da empresa Tuper S/A. E além da análise do atendimento das normas de graus de aço, será realizado o desenvolvimento de um estudo para avaliar a relação dos elementos da composição química em relação às propriedades mecânicas, tendo como objetivo compreender suas influências. Os 6034 dados foram utilizados para calcular os percentuais de atendimento das 3 (três) normas de graus de aço para as normas de graus de tubos de aço carbono para os elementos químicos carbono (C), manganês (Mn), fósforo (P) e enxofre (S) e para as propriedades mecânicas LE, LR e AL. Os resultados evidenciam o atendimento total da composição química para a norma de grau de aço SAE 1021 e parcial para os graus de aço J55 e TUP L80B, sendo que para propriedade mecânica, o grau de aço J55 atendeu a todas as normas de graus de tubos de aço carbono, porém o grau de aço SAE 1021 atendeu parcialmente e o TUP L80B somente não atendeu a uma norma de grau de tubo de aço carbono. Outra análise efetuada foi referente ao coeficiente de variação dos 4 (quatro) elementos químicos e para as 4 (quatro) propriedades mecânicas (incluindo o módulo de tenacidade, MT), sendo que para os elementos químicos na maioria dos casos foi de alta homogeneidade e para as propriedades mecânicas todos os resultados apresentaram alta homogeneidade. Na outra análise, obteve-se a relação da variação dos elementos químicos carbono (C) e manganês (Mn), conforme ocorre o acréscimo dos elementos químicos observou-se um aumento de LE e LR. Finalizando o estudo, avaliou-se a correlação das propriedades mecânicas LE e LR em função do alongamento AL, e conforme ocorre o acréscimo de LE e LR, um decréscimo ocorre nos valores de AL, reduzindo a ductilidade.

Abstract: The application of carbon steel tubes has a wide variety of products that encompasses several segments, being for the civil construction market: scaffolding, structures, bridges, roofs, among others; also holding a representative percentage in the automotive segment: chassis, bushings, suspension axles, protection bars, seat structures, exhaust system, panel support, among other purposes. The oil and gas segment also draws attention in terms of demand, which is broken down into: carbon steel tubes for transporting gas and oil. Due to its diverse applications, this market demands a high degree of safety and to ensure that these tubes will withstand the mechanical stress to which they will be applied, they must be tested. The mechanical tensile test is the most used to inform the necessary results, and can be tested on specimens of the tube itself, or by means of a specimen removed from the tube, this depends on the diameter of the tube that ends up being a restriction. This test informs the mechanical properties, being the most important in carbon steel tubes: the yield point (LE), tensile strength limit (LR) and elongation (AL). However, longitudinally welded steel tubes can be manufactured in different thicknesses, materials and different dimensions, in which certain percentages of tubes do not meet the normative specifications initially programmed, for production as specified by the customer. The study aims to verify if the standards of steel grades TUPER S/A (Grade J55), SAE J403 (Grade SAE 1021) and TUPER S/A (Grade TUP L80B) meet the standards of grades of carbon steel tubes using 6034 experimental data of chemical composition and mechanical properties LE, LR and AL from a database of the company Tuper S/A. And in addition to the analysis of compliance with the standards of steel grades, a study will be carried out to evaluate the relationship of the elements of the chemical composition in relation to the mechanical properties, aiming to understand their influences. The 6034 data were used to calculate the percentages of compliance with the 3 (three) steel grade standards for the carbon steel tube grade standards for the chemical elements carbon (C), manganese (Mn), phosphorus (P) and sulfur (S) and for the mechanical properties LE, LR and AL. The results show the total compliance of the chemical composition for the steel grade standard SAE 1021 and partial for the steel grades J55 and TUP L80B, and for mechanical property, the steel grade J55 met all the tube grade standards carbon steel, however the SAE 1021 steel grade partially met and the TUP L80B only did not meet a carbon steel tube grade standard. Another analysis carried out was referring to the coefficient of variation of the 4 (four) chemical elements and for the 4 (four) mechanical properties (including the tenacity module, MT), and for the chemical elements in most cases it was of high homogeneity and for mechanical properties, all results showed high homogeneity. In the other analysis, the ratio of the variation of the chemical elements carbon (C) and manganese (Mn) was obtained, as the addition of chemical elements occurs, an increase in LE and LR was observed. At the end of the study, the correlation of the mechanical properties LE and LR as a function of the AL elongation was evaluated, and as the LE and LR increase occurs, a decrease occurs in the AL values, reducing the ductility.