Avances en el recocido de costuras en línea para pequeñas

La normalización de tuberías de diámetro pequeño a menudo es una cuestión de tratamiento térmico de toda la sección transversal, pero para una aplicación específica, esto es particularmente un desperdicio. El tubo, en este caso, recorre casi siete millas, por lo que se debe tener mucho cuidado en el diseño de cada equipo en la línea de normalización para garantizar que no genere desechos. Imágenes proporcionadas

Innumerables aplicaciones utilizan tubos de metal, pero la reutilización de tubos no es una práctica común. Después de colocarlo, unirlo, sujetarlo o instalarlo, suele ser el final. Sin embargo, una práctica creciente para algunas aplicaciones de fondo de pozo en la industria petrolera es el uso y reutilización de tubos de acero enrollados de pequeño diámetro.

Los propósitos no son nada nuevo. Los operadores de pozos realizan inspecciones visuales frecuentes, dejando caer un tramo de tubería equipado con una cámara en el pozo del pozo. También usan tramos de tubería para dejar caer herramientas en los pozos para realizar diversas tareas de mantenimiento, inyectar nitrógeno o productos químicos de tratamiento para promover el flujo y abrir o cerrar válvulas para conectar o aislar secciones del pozo. La tubería también se usa para operaciones de limpieza y para tender cables eléctricos a máquinas como bombas sumergibles.

Las operaciones convencionales involucran una serie de longitudes de tubería de hasta 48 pies unidas con acoplamientos. Huelga decir que esto es engorroso y laborioso, tanto en las fases de inserción como de retracción. Mucho más rápida es la práctica de usar una longitud extremadamente larga de tubería flexible.

En principio, hacer un tubo largo y recocerlo para que pueda resistir el enrollado y desenrollado repetidos es sencillo. Sin embargo, como con la mayoría de las operaciones con tubos o tuberías, este tipo de cosas requieren mucho cuidado. En estos días, una longitud de tubería flexible para operaciones de fondo de pozo puede recorrer casi siete millas. Nadie quiere hacer una milla (o seis) de tubería destinada a la chatarra porque algo salió mal.

Desenróllalo y úsalo. Enróllelo y muévalo al siguiente pocillo. Desenróllalo y úsalo. Esto no puede durar para siempre. Cada vez que el acero cambia de forma, sufre tensión. En este caso, el metal puede sufrir tantos ciclos de enrollamiento y desenrollamiento hasta que se fatiga demasiado para soportar más deformaciones; eventualmente, aparecerán divisiones. Hacer este tubo es una propuesta costosa; obtener la vida útil más larga es una cuestión de tratamiento térmico, recocido o normalización adecuados.

Cualquier lámina, placa, barra o palanquilla de metal parece una masa homogénea y continua. Sin embargo, no es tan simple. Cuando se calienta el acero, los átomos de hierro adquieren una estructura específica. Si la temperatura de procesamiento es inferior a 1674 grados F, adquiere una estructura cúbica centrada en el cuerpo. Imagine las ocho esquinas de un cubo, ocho átomos de hierro espaciados uniformemente, con un punto más en el centro, y podrá imaginar esta estructura. A temperaturas de procesamiento más altas, dependiendo del porcentaje de carbono, sufre una transformación a una estructura cúbica centrada en las caras, que tiene 14 átomos de hierro.

Dependiendo de la temperatura, una de estas dos microestructuras aparece por todo el acero, una forma cúbica tras otra, formando una red. Una gran red forma un grano de acero. A medida que el metal permanece a una temperatura crítica, los granos crecen hasta que entran en contacto con otros granos, que es donde se forman los límites de los granos.

El crecimiento del grano se detiene al enfriar rápidamente el acero. Enfriarlo más temprano que tarde da como resultado granos relativamente pequeños, que se asocian con dureza y resistencia; la desventaja es que la dureza equivale a la fragilidad. Enfriarlo más tarde permite que los granos crezcan más, lo que da como resultado un material más suave que se forma más fácilmente que un material de grano fino.

Por lo tanto, el proceso de fabricación de acero consiste en controlar la temperatura de procesamiento y la cantidad de tiempo que pasa a esa temperatura, y luego enfriarlo rápidamente. . Estos pasos, junto con agregar un poco de carbono mientras está fundido, generalmente menos del 2% en peso, y algunos otros elementos determinan las propiedades del acero.

Figura 1. Una zona afectada por el calor de inducción de alta frecuencia generalmente parece un reloj de arena. Esto resulta del calor generado en el OD por la bobina de inducción y en el ID por el impeder.

Más y más calor. Cuando una tira larga y angosta de este material se introduce en un molino de tubos, el proceso comienza donde los dos bordes se unen para hacer la costura de soldadura. El calor de la soldadura se introduce en el acero mediante una bobina de inducción que rodea el OD y un impeder que dirige el flujo de corriente en el ID. El metal a lo largo de los dos bordes se pone al rojo vivo, casi devolviéndolo al estado en el que estaba en la acería. Luego, el tubo se rocía con refrigerante para lograr el enfriamiento rápido necesario para tasas de producción rentables.

A lo largo de la mayor parte del perfil del tubo, la microestructura no cambia. El calor de la soldadura no se distribuye por el resto del metal (el material principal), por lo que no se calienta lo suficiente como para cambiar apreciablemente. El calor de la soldadura se concentra a lo largo del cordón de soldadura y en el área inmediatamente adyacente, donde se calienta al rojo vivo y se enfría rápidamente. En la zona afectada por el calor (HAZ), el área cercana a la costura de soldadura, los granos tuvieron poco tiempo para crecer, por lo que el material tiene una estructura de grano fino. El material en la ZAT es más frágil que el material en otras partes de la circunferencia. Esta es la razón por la cual cualquier persona que dobla tubos y tuberías siempre intenta alinear la costura de soldadura con el eje neutral de la curva.

En un tubo destinado a ser enrollado y desenrollado (doblado y enderezado) repetidamente, cualquier fractura, que ocurra entre los granos a lo largo de los límites de los granos, se desarrollará en la ZAT mucho antes de que se desarrolle en el material original.

Calentar el material nuevamente y enfriarlo lentamente como se enfrió en la acería es la clave para comenzar de nuevo y permitir que los granos crezcan hasta que vuelvan a su tamaño normal. Reducir la severidad del diferencial de tamaño de grano, o eliminarlo por completo, es un proceso de recocido comúnmente conocido como normalización.

Comprender el perfil de calor. Vale la pena señalar que el proceso de calentamiento utilizado para soldar y el proceso de calentamiento utilizado para normalizar son procesos fundamentalmente diferentes. Aunque ambos se basan en la inducción, la soldadura aplica calor a través de la bobina de inducción (en el OD) y mediante el uso del impeder (en el ID); la normalización utiliza solo un inductor. Debido a esta diferencia, el perfil de calor es diferente. En la soldadura, el área calentada a través de la sección transversal toma la forma de un reloj de arena; la normalización crea un perfil de calor en forma de letra U.

En diámetros grandes de tubos o tuberías, una práctica común es recocer la costura del material calentándolo solo en y cerca de la ZAT. Usar calentamiento por inducción, el mismo proceso que hace la soldadura en la mayoría de los molinos de soldadura, para concentrar el calor a lo largo de la costura de soldadura no es difícil. Después de ubicar y orientar adecuadamente los inductores, se trata de hacer coincidir el calor con la velocidad de la línea para llevar a cabo la cantidad necesaria de recocido para ablandar y normalizar el material en la ZAT.

En diámetros pequeños, es común recocer toda la circunferencia. Esto desperdicia bastante energía cuando el área objetivo que requiere normalización es solo la ZAT de soldadura, pero es difícil sortearla en diámetros pequeños. Sin embargo, la forma tradicional no es la única forma; Hace varios años, la investigación y una implementación de campo demostraron que es posible normalizar solo la ZAT en tubos que miden menos de 2 pulgadas de diámetro.

Hacerlo de manera eficiente y efectiva depende de tres factores principales: la distancia entre los inductores y la superficie del tubo, la alineación de la costura de soldadura y los inductores, y el seguimiento de la costura de soldadura para mantener la alineación.

Mantener la distancia de acoplamiento adecuada.El uso eficiente del calentamiento por inducción es una cuestión de mantener las bobinas de inducción lo más cerca posible de la superficie, y la distancia de separación en esta aplicación idealmente no es más de 0,200 o 0,300 pulgadas. Si la distancia de separación es mayor que 0,300 pulgadas, la eficiencia cae exponencialmente.

Figura 2. Debido a que la normalización no puede acceder al ID, la única fuente de calor está en el OD y el perfil de calor de normalización tiene la forma de una letra U.

El problema de mantener una distancia de separación mínima es que una variación o perturbación en el molino puede disminuir el espacio, lo que corre el riesgo de crear un cortocircuito donde el tubo hace contacto con el inductor. Teniendo en cuenta la cantidad de energía eléctrica en esta aplicación, un cortocircuito es un desastre potencial para la tubería y la bobina de inducción. Las ruedas de separación de cerámica pueden ayudar a evitar el contacto. Aún así, las ruedas son solo puntos de contacto separados a lo largo de la longitud de la bobina de inducción, por lo que mantener la distancia de separación adecuada sigue siendo un desafío en diámetros más pequeños.

Otro problema es que el proceso de inducción genera líneas magnéticas de flujo que crean fuerzas verticales llamadas fuerzas de Lorentz. La investigación ha demostrado que las fuerzas de elevación magnéticas pueden ejercer casi 90 libras. de fuerza hacia arriba predominantemente en 2.0 in.-dia. y tubos más pequeños. Esto causa estragos en la consistencia dimensional del tubo, provocando un tubo distorsionado y aumentando la posibilidad de un cortocircuito entre la bobina de inducción y el tubo.

Ancho de costura. Por lo general, se usa un solo inductor de un ancho específico para una variedad de tamaños de tubería. Conocer el ancho de la soldadura HAZ es necesario para diseñar bobinas de inducción que funcionen de la manera más eficiente posible. Deben cubrir lo suficiente de la circunferencia del tubo para normalizar todo el ancho de la ZAT al ID del tubo. Aún así, si hay demasiada superposición entre la HAZ de soldadura y el ancho del inductor, aumenta el desperdicio de energía eléctrica. Además, en diámetros más pequeños, la superposición excesiva provoca que el calor sature la circunferencia del tubo, aumentando la elasticidad del acero y haciéndolo más susceptible a la distorsión.

El análisis de elementos finitos (FEA) puede determinar el ancho de la HAZ en el proceso de recocido, pero esta es una herramienta demasiado grande para usar en todos los proyectos. Además, desarrollar un FEA es un proceso costoso y que requiere mucho tiempo. Un método un poco menos exacto, pero mucho más rápido, es cortar y grabar una muestra de tubo soldado para determinar el ancho real de la ZAT. Entonces se puede producir un gráfico de perfil de distribución de calor del proceso de normalización que permite la predicción de la ZAT de recocido de la costura.

Seguimiento de costura. Un tercer elemento en la eficiencia de la inducción es mantener la ubicación de los inductores en relación con la costura. Idealmente, la costura de soldadura y los inductores están perfectamente alineados, centrados en la posición de las 12 en punto, pero la costura tiende a desviarse hacia la izquierda y hacia la derecha a medida que el tubo se mueve a través del molino. En la mayoría de los casos, la costura se desvía menos de +/- 7,5 grados, por lo que un posicionador de bobina orbital que se mueve un total de 15 grados cubre la desviación típica.

Se necesita bastante ingeniería para fabricar tubos muy largos y hacerlo de manera eficiente.

Primero, estos tubos no tienen un solo espesor de pared. La primera sección por el agujero tiene la pared más ligera; las secciones subsiguientes tienen paredes más pesadas para proporcionar más fuerza para soportar la cantidad creciente de peso.

En segundo lugar, si bien el proceso podría usar recocido de cuerpo completo, esto es demasiado derrochador. En algunas aplicaciones de tubos comunes, digamos, unos pocos cientos de longitudes de 20 pies cada una, un recocido de cuerpo completo tendría sentido porque configurar un sistema de normalización en línea hecho a la medida con un rastreador de costura y una unidad orbital es un capital de ingeniería. -, y una empresa que requiere mucho tiempo en el mejor de los casos. Para un contrato pequeño, es poco probable que se materialice el retorno de la inversión. Sin embargo, para un programa que involucra la fabricación de cientos o miles de líneas de acero flexibles que recorren kilómetros, el recocido de cuerpo completo desperdicia demasiada energía y se puede justificar una línea de recocido personalizada.

En tercer lugar, cuando se desarrolla un sistema de normalización que recoce varios diámetros y espesores de pared, los tamaños más pequeños obtienen una mayor saturación de calor alrededor de la circunferencia, lo que aumenta la plasticidad del metal. Las fuerzas de Lorentz entran en juego y pueden causar cierta distorsión.

Figura 3. Como se indica en este gráfico, el desplazamiento angular se refiere a la distribución de calor de una línea de recocido y la zona afectada por el calor resultante. El centro del gráfico, a 0 grados, representa el centro de la costura de soldadura, que es el centro de la colocación de la bobina de recocido. Para este diámetro, la distribución del calor es de aproximadamente +/- 60 grados desde el centro.

Estas fuerzas se pueden contrarrestar utilizando una mayor cantidad de inductores más pequeños. En un sistema correctamente diseñado que utilice este principio, la cantidad total de calor que generan los inductores es la misma, pero cada uno genera menos flujo magnético, lo que genera menos fuerza vertical y, por lo tanto, reduce la distorsión.

El uso de estos inductores, conocidos como inductores de serie doble, permite el uso de ruedas separadoras de acero adicionales, que se colocan entre los inductores. En otras palabras, mientras que un sistema convencional tiene ruedas de separación de cerámica, este sistema tiene esas y dos modos adicionales de protección contra cortocircuitos: menos elevación vertical del flujo magnético y ruedas guía adicionales ubicadas entre las estaciones de inducción.

Según el nivel de experiencia y el tiempo dedicado al diseño de un sistema de este tipo, dos líneas de normalización en competencia pueden diferir bastante en sus diseños. Por ejemplo, un sistema convencional diseñado más o menos según los principios tradicionales podría usar cuatro estaciones de inducción separadas. Por el contrario, un enfoque más sofisticado y actualizado puede resultar en un sistema que hace la misma cantidad de trabajo con solo tres estaciones de inducción, conservando espacio y energía. Esto equivale a menos equipo en un espacio más pequeño que funciona de manera más eficiente.

Figura 4. Las distribuciones de calor varían. Aunque similar a la distribución de calor en la Figura 3, este gráfico muestra una distribución de calor más amplia medida en grados de rotación (+/- 75 grados) en un diámetro más pequeño. Para ser efectivo, un sistema de normalización debe estar diseñado para capturar el perfil de calor más amplio de la tubería que se producirá en este molino.