Seamless vs ERW – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura enfrentam rotineiramente uma escolha entre tubos e canos de aço sem costura e ERW (Soldados por Resistência Elétrica). A decisão geralmente equilibra requisitos de desempenho, como resistência, tenacidade e resistência à corrosão, contra custo, disponibilidade e necessidades de fabricação a jusante, como soldagem e conformação. Para condições de serviço que envolvem alta pressão interna, tenacidade ao impacto em baixa temperatura ou tolerâncias dimensionais apertadas, uma solução pode ser preferida; para aplicações de distribuição ou estruturais de grande diâmetro e menor custo, a outra frequentemente domina.

Na raiz da comparação estão as diferenças na forma como o tubo é feito e como essa rota de fabricação afeta as propriedades do material e o comportamento da solda. Essas diferenças influenciam a microestrutura, a resposta ao tratamento térmico, a integridade das costuras soldadas e os limites práticos do pós-processamento.

1. Normas e Designações

Normas e designações comuns que você encontrará para os aços sem costura e ERW incluem:

• ASTM / ASME (Estados Unidos): por exemplo, especificações ASTM A106, A179, A192, API 5L para tubos de linha; ASME SA-106, SA-179.
• EN (Europeia): EN 10216 (sem costura), EN 10217 (soldado), EN 10210/10219 para seções ocas estruturais.
• JIS (Japão): JIS G3452 (tubos de aço sem costura para caldeiras), JIS G3461 (ERW).
• GB (China): GB/T 8162 (tubos de aço carbono sem costura para estrutura geral), GB/T 3091 (ERW).

Classificação por tipo de material: - Aço carbono: comum para ambos, sem costura e ERW. - Ligas e HSLA: disponíveis em ambas as formas; graus HSLA e microaleados são frequentemente sem costura, mas também são produzidos como ERW. - Aço inoxidável: produzido como sem costura e soldado (incluindo variedades soldadas por ERW e TIG). - Aços para ferramentas: raramente produzidos como tubos; excluídos das especificações típicas de tubos.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A composição de um tubo ou cano é definida pelo grau (carbono, HSLA, liga, inoxidável) em vez do método de conformação. No entanto, as filosofias de controle típicas diferem: os produtores sem costura geralmente visam um controle composicional mais rigoroso para serviços de pressão exigentes ou de baixa temperatura, enquanto os produtores de ERW podem otimizar a química para conformabilidade e soldabilidade em grande escala.

Elemento	Sem Costura (controle típico)	ERW (controle típico)	Papel nas propriedades
C (Carbono)	Controlado para atender resistência/dureza	Controlado para resistência e soldabilidade	Determinante primário de resistência/dureza
Mn (Manganês)	Presente em níveis de endurecimento e desoxidação	Presente; frequentemente ligeiramente mais alto para desoxidação em produtos soldados	Endurecimento por solução sólida; afeta a dureza
Si (Silício)	Desoxidante; limitado em graus de baixa temperatura	Desoxidante; controlado para qualidade da costura de solda	Desoxidante; influencia a resistência e a formação de escamas
P (Fósforo)	Mantido baixo para tenacidade	Limitado para ductilidade e soldabilidade	Risco de fragilização se alto
S (Enxofre)	Mantido baixo; MnS controlado	Controlado; pode ser mais alto em graus de usinagem livre	Afecta a usinabilidade e pode reduzir a tenacidade
Cr (Cromo)	Liga para resistência/corrosão em aços de liga	Usado em graus de ERW ligados para resistência	Melhora a dureza e a resistência à corrosão
Ni (Níquel)	Adicionado para tenacidade e serviço em baixa temperatura	Usado seletivamente para tenacidade/resistência	Melhora a tenacidade e a resistência à corrosão
Mo (Molibdênio)	Usado para dureza e resistência em alta temperatura	Papel semelhante em graus de ERW ligados	Melhora a resistência ao creep e a resistência
V, Nb, Ti (Microaleação)	Comum em HSLA/sem costura para refino de grão	Usado em graus HSLA de ERW, mas pode ser otimizado para processamento de moinho	Refino de grão, endurecimento por precipitação
B (Boro)	Adições em traços para dureza em graus temperados	Às vezes usado em graus tratados termicamente	Fortemente melhora a dureza em níveis de ppm
N (Nitrogênio)	Controlado, especialmente em graus inoxidáveis	Controlado para conformação/soldagem	Estabiliza austenita em inoxidáveis; afeta a corrosão

Explicação: Os elementos de liga são selecionados para alcançar um equilíbrio de resistência, tenacidade, dureza e desempenho contra corrosão. Elementos de microaleação (V, Nb, Ti) refinam o tamanho do grão e permitem maiores resistências sem comprometer a ductilidade quando o processamento termomecânico ou a laminação controlada são utilizados.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Tubos sem costura e ERW podem começar de aços base semelhantes, mas suas microestruturas produzidas diferem devido à conformação e à história térmica.

• Tubos sem costura: Produzidos por perfuração e alongamento de um bilhete sólido ou por perfuração rotativa e laminação. O processo submete o material a uma deformação plástica significativa e ciclos de recristalização em alta temperatura, frequentemente produzindo uma microestrutura relativamente uniforme através da espessura da parede. Para graus de carbono e HSLA, a estrutura como laminada é tipicamente ferrita–pearlita para graus de menor resistência; para graus temperados e endurecidos, martensita/martensita temperada pode ser obtida após tratamento térmico apropriado.
• Tubos ERW: Produzidos pela conformação de uma fita/placa plana e união das bordas por soldagem por resistência elétrica. A costura de solda passa por aquecimento local e resfriamento rápido, produzindo uma zona afetada pelo calor (HAZ) distinta e metal de solda com microestruturas que dependem da energia de soldagem e da química. A química do bobinamento e os parâmetros de solda são definidos para minimizar as diferenças nas propriedades da costura em relação ao metal base.

Resposta ao tratamento térmico: - Normalização/refino: Tanto os tubos sem costura quanto os ERW se beneficiam da normalização para homogeneizar a microestrutura. Tubos sem costura geralmente respondem de forma uniforme; as costuras ERW requerem atenção à HAZ para evitar picos de dureza indesejáveis. - Resfriamento e tempera: Usado para graus de alta resistência; aços sem costura microaleados com química controlada frequentemente mostram excelente resposta. No ERW, a metalurgia da costura deve ser compatível com os ciclos de resfriamento e tempera (ou seja, a química do metal de solda e a HAZ devem atingir microestruturas alvo sem endurecimento excessivo). - Processamento termomecânico: Mais comum e controlável na produção sem costura, permitindo aços HSLA de grão fino e alta resistência com boa tenacidade.

4. Propriedades Mecânicas

As propriedades dependem do grau, tratamento térmico e controle de fabricação. A tabela abaixo compara atributos mecânicos típicos qualitativamente.

Propriedade	Sem Costura	ERW	Notas
Resistência à Tração	Alta, uniforme através da parede	Comparável no metal base; a costura pode variar	A integridade da costura afeta o desempenho local à tração
Resistência de Escoamento	Alta com boa uniformidade	Comparável; algum amolecimento ou endurecimento da costura é possível	Microaleação e controle de tratamento térmico controlam o escoamento
Alongamento (ductilidade)	Consistente através da seção	Bom no metal base; a zona da costura pode reduzir a ductilidade local	A qualidade da costura e o controle da HAZ são críticos
Tenacidade ao Impacto	Frequentemente superior, especialmente para graus de baixa temperatura	Bom quando especificado; a HAZ pode ser uma preocupação	Sem costura é a escolha usual para serviço crítico em baixa temperatura
Dureza	Uniforme quando tratado termicamente	Possíveis gradientes de dureza na costura/HAZ	O tratamento térmico deve considerar a metalurgia da costura

Qual é mais forte/mais resistente/ductil: Nenhuma forma é inerentemente mais forte; o grau do material e o tratamento térmico determinam a resistência. A fabricação sem costura pode produzir propriedades mais uniformes através da espessura e é frequentemente especificada quando máxima tenacidade, uniformidade e capacidade de alta pressão são necessárias. O ERW pode alcançar propriedades equivalentes ao metal base, mas requer controle rigoroso do processo na solda.

5. Soldabilidade

A soldabilidade é uma consideração central e é governada pelo equivalente de carbono e pela presença de elementos de liga ou microaleação. Dois índices comuns úteis para avaliação qualitativa:

• Instituto Internacional de Soldagem equivalente de carbono: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (para suscetibilidade a trincas a frio): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação: - Valores mais baixos de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ correlacionam-se com melhor soldabilidade e menor risco de endurecimento da HAZ e trincas a frio. Tubos sem costura destinados a serviços de alta resistência ou temperados podem ter maior dureza e, portanto, requerem procedimentos de pré-aquecimento/pós-aquecimento ou soldagem controlada. - Produtos ERW são frequentemente otimizados para soldabilidade durante a produção da fita (química e condições de laminação escolhidas para minimizar a dureza na costura). No entanto, a costura e a HAZ são zonas locais onde reparos de solda ou soldagens adicionais devem considerar potenciais diferenças na química e microestrutura. - Para aços inoxidáveis, considerações de soldabilidade incluem sensibilização e teor de nitrogênio; para duplex ou super duplex, PREN e equilíbrio de fases governam a prática de soldagem.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

Aços não inoxidáveis: - Tanto os aços carbono/HSLA sem costura quanto os ERW requerem revestimentos protetores para aplicações propensas à corrosão: galvanização a quente, epóxi fundido, sistemas de pintura ou revestimentos internos. A estratégia de revestimento é impulsionada pelo ambiente e pela vida útil do serviço, em vez do método de fabricação do tubo, embora a geometria da costura possa afetar a uniformidade e adesão do revestimento.

Aços inoxidáveis: - Para graus inoxidáveis, a resistência à corrosão é uma função da composição da liga. O número equivalente de resistência à corrosão por pitting (PREN) é útil para ligas austeníticas/duplex: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - O PREN não é aplicável a aços carbono simples. Ao especificar ERW ou sem costura inoxidável, o controle de nitrogênio e molibdênio é crítico para alcançar o PREN alvo e o desempenho no serviço.

Esclarecimento: Onde uma costura soldada está presente, o acabamento da superfície e a limpeza pós-solda (passivação para inoxidáveis) são importantes para restaurar a resistência à corrosão na junta.

7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade

• Corte: Ambas as formas cortam com processos padrão de serra, chama ou plasma. As costuras ERW podem exigir um corte adicional se houver cordão de solda ou flash interno presente.
• Dobra/conformação: Tubos sem costura geralmente toleram conformação e dobra com menos distorção local devido às propriedades uniformes da parede. Tubos ERW podem mostrar abertura da costura ou diferenças de rigidez local; o planejamento do processo deve levar em conta a orientação da costura em relação à dobra.
• Usinabilidade: Níveis controlados de enxofre melhoram a usinabilidade; estes são independentes da produção do tubo. Tubos sem costura microaleados de alta resistência podem ser menos usináveis devido à maior resistência e endurecimento por trabalho.
• Acabamento: O desbaste ou acabamento das costuras ERW pode ser necessário para aplicações que exigem superfícies internas lisas (por exemplo, linhas hidráulicas) ou quando testes não destrutivos revelam anomalias na costura.

8. Aplicações Típicas

Sem Costura	ERW
Caldeiras de alta pressão, tubulação de usinas, serviço de alta pressão de petróleo e gás, serviço em baixa temperatura onde a tenacidade uniforme é crítica	Redes de distribuição de água e gás, tubulação estrutural, tubulação de chassi automotivo, aplicações mecânicas gerais
Tubulação de trocadores de calor e tubulação de processo de alta integridade	Tubos de linha de grande diâmetro onde custo e velocidade de produção são prioridades
Componentes de furo profundo e aplicações hidráulicas que requerem propriedades direcionais	Aplicações onde longas extensões e menor custo unitário são importantes

Racional de seleção: Escolha sem costura para aplicações que exigem uniformidade através da espessura, alta classificação de pressão e tenacidade crítica (serviço em baixa temperatura ou ácido). Escolha ERW para aplicações sensíveis ao custo, de alto volume e grande diâmetro, onde a integridade da costura pode ser controlada e as propriedades exigidas estão dentro da capacidade das especificações de produtos soldados.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: Produtos ERW são tipicamente menos caros por tonelada e estão disponíveis em longas extensões contínuas porque sua produção é baseada em bobinas e de alto rendimento. Produtos sem costura geralmente têm um preço premium devido ao processamento mais complexo do bilhete e menor rendimento.
• Disponibilidade: ERW tem ampla disponibilidade para tamanhos e graus padrão; a disponibilidade sem costura pode ser restrita para graus especiais, grandes diâmetros ou tamanhos de tolerância apertada e pode envolver prazos de entrega mais longos.

Considerações sobre a forma do produto: Para tubulação de alta pressão ou certificada, sem costura é comumente estocada em graus especificados; para tubulação estrutural em volume e tubos de linha, ERW domina os mercados devido à economia.

10. Resumo e Recomendação

Aspecto	Sem Costura	ERW
Soldabilidade	Boa no metal base; sem costura, mas a soldagem será externa/intermitente	Projetado para solda de costura; soldagens adicionais requerem atenção à HAZ/metalurgia da costura
Resistência–Tenacidade	Alta uniformidade; excelente tenacidade em baixa temperatura com grau apropriado	Comparável no metal base; a costura/HAZ pode ser um fator limitante
Custo	Mais alto	Mais baixo

Conclusões: - Escolha Sem Costura se você precisar de propriedades uniformes através da parede, contenção crítica de pressão, tenacidade superior em baixa temperatura, ou se a aplicação envolver códigos rigorosos onde a integridade da costura é um desqualificador. - Escolha ERW se custo, longas extensões contínuas e disponibilidade em tamanhos padrão forem os principais fatores, e se o regime de projeto e inspeção considerar a costura soldada (ou seja, o grau e o controle do processo garantem que a costura atenda aos padrões mecânicos e de NDT exigidos).

Nota final: A melhor prática é especificar os requisitos de desempenho (tensão, impacto a temperatura, limites de dureza, critérios de aceitação de testes não destrutivos e requisitos de tratamento térmico) em vez de simplesmente nomear "sem costura" ou "ERW". Isso permite que os fornecedores proponham a rota de fabricação mais econômica que satisfaça as necessidades de engenharia.