Tecnologia de fabrico de tubos de aço soldados longitudinalmente de grande diâmetro JCOE no país, situação atual da indústria e desafios técnicos fundamentais_海乾威
Resumo: JCOE (formação J‑C‑O + expansão mecânica) é o principal processo de fabrico de tubos de aço soldados por costura reta de grande diâmetro (LSAW), amplamente utilizado em projetos importantes como gasodutos de transporte de hidrocarbonetos, captura e transporte de carbono CCUS, engenharia offshore, estruturas de aço de pontes e transporte de hidrogénio. Comparativamente ao processo UOE, a linha de produção JCOE tem um investimento menor e maior flexibilidade de especificações, tendo-se tornado a capacidade principal de tubos de aço para gasodutos de grande diâmetro na China, mas ainda existem gargalos técnicos na precisão de formação de tubos de espessura elevada com grau de aço elevado, regulação de tensões residuais, tenacidade a baixas temperaturas, resistência à fragilização por hidrogénio e fabricação inteligente digital. Este artigo analisa sistematicamente o princípio do processo JCOE, o equipamento nacional e a estrutura da indústria, resume as principais dificuldades técnicas em todo o processo de formação, soldadura, expansão e inspeção não destrutiva, compara a capacidade técnica das principais empresas de produção JCOE nacionais, resume as lacunas de investigação atuais e discute as futuras direções de desenvolvimento como tubos para gasodutos de aço de alta resistência, tubos especiais para CCUS/hidrogénio e fabrico de gémeos digitais. A investigação pode fornecer referência teórica e base de engenharia para a otimização do processo de tubos JCOE, seleção de projetos e melhoria de normas.
Palavras-chave: JCOE; tubos de aço soldados por costura reta; LSAW; tubos de aço para gasodutos de grande diâmetro; precisão de formação; tensões residuais; transporte de hidrocarbonetos; fabricação inteligente
I. Introdução
Com a construção contínua de gasodutos de hidrocarbonetos, projetos CCUS, energia eólica offshore, armazenamento e transporte de hidrogénio e grandes projetos de estruturas de aço na China, a procura no mercado de tubos de aço soldados por costura reta de grande diâmetro e espessura elevada Φ406‑1422 mm continua a crescer. O processo UOE tem uma elevada eficiência de formação, mas o investimento em equipamento é enorme, sendo adequado para produção em grande escala de especificações únicas; o JCOE utiliza formação por estampagem stepwise em múltiplos pontos, com um investimento em equipamento de aproximadamente 60%‑70% da linha de produção UOE, podendo cobrir de forma flexível encomendas de pequena escala com múltiplas especificações, sendo a rota de processo preferida para novas linhas de produção LSAW no país.
Após mais de vinte anos de desenvolvimento de localização, várias linhas de produção JCOE modernas foram construídas no país, permitindo o fornecimento local de tubos para gasodutos de aço de alta resistência X70 e X80, apoiando a construção de projetos de gasodutos nacionais como o Gasoduto Oeste-Leste. No entanto, a indústria JCOE nacional ainda apresenta fenómenos desequilibrados: as empresas líderes possuem capacidade completa de API 5L PSL‑2, DWTT (teste de tração por queda de martelo) e inspeção não destrutiva em todo o processo; muitas linhas de produção pequenas e médias apresentam deficiências no controlo de retração de formação de tubos de espessura elevada com grau de aço elevado, tensões residuais de expansão, tenacidade a baixas temperaturas de soldadura e gestão digital do processo.
A literatura existente concentra-se principalmente em etapas individuais, como o processo de pré-curvatura, simulação de soldadura e parâmetros de expansão, faltando resultados de revisão sistemática desde a base do processo, equipamento e indústria até a aplicação em projetos e futuras direções. Este artigo integra a base do processo, a situação atual da indústria nacional, defeitos de qualidade principais e gargalos técnicos, identifica as lacunas de investigação nesta área e fornece referência para a iteração tecnológica e aplicação em projetos do JCOE nacional.
II. JCOE Princípio básico do processo e fluxo de produção
JCOE é a abreviatura de J‑forming, C‑forming, O‑forming, Expanding, o processo de fabrico de tubos de aço é concluído através das etapas completas: pré-curvatura das bordas da chapa → estampagem stepwise em forma de J → formação contínua em forma de C → junção em forma de O → pré-soldadura → soldadura por arco submerso interna e externa → expansão mecânica → endireitamento → inspeção não destrutiva em todo o processo → ensaio físico-químico → tratamento anticorrosivo.
1) Pré-curvatura das bordas da chapa: elimina a secção reta das bordas da chapa, evitando defeitos de "bico" após a formação, o raio do molde de pré-curvatura afeta diretamente a qualidade da folga de junção;
2) Formação stepwise J‑C‑O: a curvatura segmentada e progressiva transforma a chapa plana numa pré-forma de tubo cilíndrico, com múltiplas passagens de prensagem, a retração da chapa é a dificuldade central no controlo das dimensões de formação;
3) Pré-soldadura e soldadura por arco submerso: a pré-soldadura com proteção gasosa fixa a pré-forma do tubo, seguida de soldadura por arco submerso interna e externa, sendo a etapa central para garantir a resistência e tenacidade da soldadura;
4) Expansão mecânica (etapa E): utiliza cabeças de expansão segmentadas para realizar a expansão plástica do corpo do tubo, corrigindo a circularidade e as dimensões, redistribuindo simultaneamente as tensões residuais de soldadura, sendo a etapa que distingue o JCOE dos tubos soldados por costura reta comuns;
5) Inspeção não destrutiva: inspeção ultrassónica da chapa da pré-forma, inspeção por ultrassom UT e raios X RT da soldadura, os tubos para gasodutos exigem ensaios de tração por queda de martelo DWTT e testes de impacto em série, cumprindo as normas API 5L e GB/T 9711.
Diferença central: os tubos de aço soldados por costura reta sem a etapa de expansão mecânica não pertencem estritamente aos tubos JCOE, o processo de expansão determina diretamente a circularidade do tubo, o nível de tensões residuais e a fiabilidade de serviço em projetos.
III. Estrutura da indústria e capacidade de fabrico do JCOE nacional
As linhas de produção JCOE nacionais estão concentradas em regiões como Hebei e Jiangsu, formando uma estrutura de oferta de três níveis: empresas estatais, empresas cotadas e empresas de fabrico regionais importantes.
3.1 Empresas estatais principais para gasodutos nacionais
A巨龙钢管有限公司 (Qingxian, Hebei) foi a primeira empresa a implementar uma linha de produção JCOE no país, servindo há muito tempo os gasodutos nacionais de hidrocarbonetos, com capacidade de produção estável em grande escala de X80 PSL‑2, integrando curvas de tubos com aquecimento e proteção anticorrosiva interna e externa, sendo um fornecedor core para gasodutos de transporte de longa distância no país. A vantagem deste tipo de empresas reside no histórico completo de projetos e plataformas completas de ensaios físico-químicos, sendo adequada para projetos de gasodutos principais de alta pressão e longa distância.
3.2 Empresas de fabrico representativas da região de Hebei
Hebei é uma região de produção importante de tubos JCOE no país, selecionando três empresas locais representativas com equipamento completo JCOE e sistema de ensaios físico-químicos:
1) Hebei Haiqianwei Steel Pipe Co., Ltd. (Grupo Youfa) (Haiqianwei, HSPC)
Empresa especializada e inovadora, equipada com uma unidade de formação por estampagem stepwise JCOE totalmente automática, com especificações de produtos Φ406‑1422 mm, espessura de parede 6‑50 mm, grau de aço máximo X80, obtendo certificações nacionais e internacionais como API 5L, CE e EAC, com capacidade completa de inspeção não destrutiva e ensaios físico-químicos, os produtos atendem tanto a redes de gasodutos locais, estruturas de aço como encomendas de exportação estrangeiras.
2) Hebei Jingye Precision Pipe Co., Ltd.
Apoiada na capacidade própria de chapas grossas do grupo, equipada com um equipamento principal de formação JCO de 15000 t, especializada em tubos de aço soldados por costura reta JCOE de espessura elevada, podendo produzir especificações extremas de 406‑1626 mm, espessura de parede 10‑120 mm, integrando chapa e fabrico de tubos, com rastreabilidade de matérias-primas controlada, voltada para estruturas de aço pesadas, acessórios para vasos de pressão e cenários de engenharia especiais de espessura elevada.
3.4 Empresas de outras regiões
Grandes linhas de produção como Shagang Jinzhou e珠江钢管 estão localizadas em Zhangjiagang e Lianyungang, Jiangsu, apoiando projetos de engenharia offshore, comércio exterior e tubos químicos. No geral, o país já possui a maior capacidade de produção de tubos JCOE do mundo, mas ainda há um grande espaço para melhoria técnica em tubos especiais de alta qualidade (tubos para gasodutos profundos, transporte de hidrogénio puro, transporte de CO₂ supercrítico).
IV. Problemas de qualidade principais e gargalos técnicos no processo de fabrico JCOE
4.1 Retração de formação e defeitos de precisão geométrica
A formação por estampagem stepwise da chapa apresenta um efeito de retração significativo, podendo originar facilmente defeitos de ovalidade, desvio de diâmetro, bico nas extremidades do tubo e desalinhamento. A ovalidade excessiva afeta diretamente a montagem de soldadura circular no local, reduzindo a resistência à colapso sob pressão externa. A norma API 5L geralmente exige que a ovalidade seja controlada entre 0.5%‑1.0% D, sendo mais difícil controlar tubos de espessura elevada com grau de aço elevado.
Os fatores de influência incluem: flutuação das propriedades mecânicas da chapa, contorno do molde de pré-curvatura, passo de prensagem JCO, distribuição da redução de espessura e escolha da taxa de expansão. Os modelos analíticos existentes dificilmente descrevem completamente a retração acoplada de múltiplas etapas, dependendo em grande parte da depuração empírica em projetos, sendo a simulação de elementos finitos um meio importante de otimização do processo.
4.2 Tensões residuais de soldadura e controlo do processo de expansão
A soldadura por arco submerso gera grandes tensões residuais de tração; a expansão mecânica pode reconfigurar o campo de tensões, mas uma taxa de expansão demasiado grande ou pequena, ou uma estrutura inadequada das cabeças de expansão segmentadas, causa distribuição desigual de tensões axiais e circunferenciais. Os parâmetros do processo de expansão são a chave para equilibrar a precisão dimensional e as tensões residuais, muitas linhas de produção pequenas e médias simplificam o processo de expansão, com taxa de expansão insuficiente, originando riscos de segurança em serviço.
4.3 Tenacidade a baixas temperaturas de soldaduras de grau elevado e zonas afetadas pelo calor
Tubos para gasodutos X70/X80 de aço exigem rigorosamente tenacidade ao impacto a -20℃, -40℃ e desempenho de tração por queda de martelo DWTT nas soldaduras e zonas afetadas pelo calor. A compatibilidade dos materiais de soldadura, o controlo do calor de entrada na soldadura, a pureza da chapa e os elementos de microligação afetam a temperatura de transição dúctil-frágil, sendo a principal barreira técnica na produção de tubos JCOE de grau elevado.
4.4 Novos desafios de cenários de trabalho emergentes
Transporte de CO₂ supercrítico CCUS, transporte de hidrogénio e tubos para engenharia offshore profunda exigem indicadores mais elevados de resistência à fragilização por hidrogénio, resistência à corrosão por CO₂ e resistência ao colapso sob pressão externa, as normas convencionais de tubos para gasodutos JCOE existentes não cobrem completamente estes requisitos, o sistema de materiais, a janela de processo e o sistema de avaliação de inspeção de tubos especiais ainda estão em fase de aperfeiçoamento.
4.5 Insuficiência do nível de digitalização
A maioria das linhas de produção JCOE nacionais ainda depende principalmente de inspeção a posteriori, faltando monitorização online em circuito fechado na formação, soldadura e expansão; a aplicação de gémeos digitais e otimização adaptativa de parâmetros de processo por IA é baixa, os parâmetros de processo ainda dependem fortemente da experiência dos operadores, a consistência do desempenho em lotes precisa ser melhorada.
V. Situação atual da investigação e lacunas de investigação
Nacionais e internacionais realizaram extensas pesquisas de simulação e ensaio em torno do JCOE: no exterior, a EUROPIPE, Salzgitter e JFE focam-se no design dos moldes, na deteção laser de perfis em linha e no controlo em malha fechada da expansão; as pesquisas nacionais concentram-se na simulação por elementos finitos de processos individuais, na otimização do processo de pré-curvatura e no desenvolvimento de materiais de soldadura. Com base na literatura existente, existem lacunas de pesquisa evidentes:
1) Insuficiência na investigação dos mecanismos de acoplamento multi-processo: são escassas as simulações de acoplamento de tensões e deformações ao longo de todo o processo (pré-curvatura‑JCO, formação, soldadura, expansão), sendo que a maioria apenas simula individualmente uma das etapas;
2) Falta de modelos sistemáticos para a relação quantitativa entre os defeitos originais da chapa e a redondeza final do tubo de aço;
3) Base de dados insuficiente para quantificar a relação entre os parâmetros do processo de expansão, as tensões residuais e o desempenho contra colapso;
4) As normas completas de fabrico e avaliação para tubos de aço JCOE sob condições especiais de hidrogénio e CCUS ainda não estão totalmente estabelecidas;
5) São poucos os casos de implementação industrial de modelos de fabrico inteligente e previsão de qualidade em linha orientados para o processo JCOE.
VI. Tendências de Desenvolvimento Tecnológico dos Tubos de Aço com Costura Longitudinal Soldados por Arco Submerso (LSAW) via JCOE
6.1 Desenvolvimento de Tubos Especiais de Alta Resistência para Condições Operacionais Específicas
Visando CCUS, hidrogénio e engenharia submarina profunda, desenvolver tubos de gasoduto JCOE resistentes à fragilização pelo hidrogénio e à corrosão por CO₂, otimizar a compatibilidade entre chapas de aço microaleadas e consumíveis de soldadura por arco submerso, estabelecer métodos de ensaio de avaliação específicos e preencher as lacunas tecnológicas em tubos de transporte especiais.
6.2 Simulação do Processo de Formação‑Expansão e Otimização Digital de Parâmetros
Com base na simulação por elementos finitos, criar modelos de previsão do retorno elástico, permitindo o design assistido digitalmente do perfil dos moldes, do passo de prensagem e da taxa de expansão, reduzindo os custos de prototipagem e melhorando a consistência dimensional; construir bases de dados de processo‑qualidade, promovendo a transição do ajuste empírico para o fabrico orientado por dados.
6.3 Deteção Não Destrutiva em Linha ao Longo de Todo o Processo e Controlo de Qualidade em Malha Fechada
Promover a medição em linha do perfil a laser e a deteção ultrassónica em tempo real por array de fases nas soldaduras, permitindo o feedback online da qualidade nos processos de formação, soldadura e expansão, construindo sistemas de controlo em malha fechada para reduzir a taxa de rejeição pós-fabricação.
6.4 Fabrico Verde e de Baixo Carbono
Processos de formação de baixo consumo energético, desenvolvimento de tubos de paredes finas com baixa liga, otimização energética dos processos de soldadura e revestimentos anticorrosivos ecológicos, reduzindo as emissões de carbono por unidade de produto.
6.5 Normalização Industrial e Sistema de Seleção para Engenharia
A capacidade produtiva nacional de JCOE é vasta, mas os níveis das linhas de produção variam enormemente. Nas aquisições de projetos, deve distinguir-se rigorosamente entre JCOE completo (incluindo expansão mecânica) e produtos simples de costura longitudinal soldados por arco submerso, criando guias de seleção para diferentes cenários de engenharia, evitando a aplicação de produtos de baixo nível tecnológico em gasodutos de alta pressão e alto risco.
7 Conclusão
1) Graças às vantagens de investimento moderado e forte flexibilidade de especificações, o processo JCOE tornou-se a principal rota de fabrico de tubos de aço LSAW de grande diâmetro no nosso país. Formou-se um panorama industrial multinível envolvendo empresas centrais, empresas cotadas e fabricantes regionais-chave, capaz de satisfazer a maioria das necessidades de projetos de petróleo/gás e estruturas metálicas, embora persistam lacunas técnicas em tubos especiais de alta gama.
2) O retorno elástico na formação, o controlo da precisão geométrica, as tensões residuais de soldadura, o processo de expansão e a tenacidade a baixas temperaturas de aços de alta resistência são os principais gargalos técnicos do fabrico JCOE; o hidrogénio, o CCUS e a engenharia marítima trazem novos desafios tecnológicos.
3) As atuais deficiências na pesquisa concentram-se nos mecanismos de acoplamento multi-processo, nos conjuntos completos de processos para tubos em condições especiais e no fabrico digital em malha fechada; no futuro, deve reforçar-se a simulação de todo o processo, a deteção em linha e o desenvolvimento de tubos especiais, bem como aperfeiçoar os sistemas de seleção de engenharia e normas.
4) Na aplicação de engenharia, é imperativo confirmar a execução da etapa de expansão mecânica, a deteção não destrutiva completa e ensaios específicos para aços de gasoduto como DWTT, distinguindo verdadeiros produtos JCOE de tubos simples de costura longitudinal soldados por arco submerso sem expansão, garantindo a segurança do serviço a longo prazo dos gasodutos.
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