Soldadura Tuberías de Alto Rendimiento


Abstracto
Hoy en día hay muchas maneras de soldar tuberías de alto rencimiento en campo. Es necesario entender diversos procesos para asegurar que el proceso seleccionado satisface los requisitos de calidad y productividad requeridos en el proyecto de tubería. Se discuten varios procesos, soldadura con electrodos celulósicos con gas de protección y soldadura con alambre tubular autoprotegido.

Introducción
En el mundo actual, los gaseoductos de transporte tienen que hacer frente a muchos temas, incluyendo presiones de servicio más altas, productos ácidos, nuevos aceros de alta resistencia,entornos operativos más severos, códigos de gobierno más estrictos , y un sinfín de problemas ambientales.Estas condiciones deben ser equilibradas por las necesidades del contratista para controlar los costos  y completar el proyecto a tiempo sin dejar de cumplir los requisitos de calidad más estrictos. El conocimiento de los procesos de soldadura puede ayudar al contratista a cumplir con las necesidades de calidad requeridas. Este mismo conocimiento puede ayudar al ingeniero a entender que hay muchas maneras de satisfacer las necesidades de calidad y diseño sin imponer costos innecesarios al contratista.

Actualmente se usan varios procesos y combinaciones de procesos  para la soldadura de tubería en campo. Estos incluyen SMAW, FCAW-S, y GMAW. También se debe tener en cuenta con GMAW modo transferencia, arco corto, arco corto controlado como en Surface Tension Transfer®, spray, y globular.


Revisión de Aceros para Tubería
Hoy en día los aceros para tubería son de una mayor resistencia que los utilizados anteriormente y están diseñados pensando en la soldabilidad. Los aceros más comunes utilizados en oleoductos y cruce de tuberías se ajustan a la norma API 5LX o similares.

 

                 Tabla 1. Resumen API 5L Requisitos de Resistencia

 

X42

X46

X52

X56

 X60

 X65

 X70

 X80

 R.Tracción (ksi)

 60

63

 66

71

75

77

82

90-120

Lim.Elástico (ksi)

 42

46

52

56

60

65

70

80

 


Los niveles de resistencia se pueden lograr por diferentes métodos incluyendo química bruta, microaleación, y la expansión en frío del tubo cuando es producido en la fábrica de tubos. En los grados de mayor resistencia la tendencia es utilizar expansión en frío y microaleación de modo que el carbono y el manganeso se puedan mantener a niveles relativamente bajos, reduciendo así el calor de la zona afectada por la dureza, y ayuda a reducir aunque no eliminar las preocupaciones sobre el hidrógeno del metal de soldadura. Por ejemplo, es típico ver el contenido de carbono de menos de 0.05% en aceros  X70 y X80 con algunos aceros X80 tienen valores Pcm de menos de 0.20.


Procesos de Soldadura
Obviamente el primer paso en la soldadura de tubería es ejecutar la pasada de raíz. Esta es quizás la pasada más crítica en una soldadura de tubería por varias razones. Primero, es la pasada más difícil de hacer en la soldadura de tubería, requiere buena habilidad por parte del operario, para procesos aplicados manualmente con buen control del proceso combinado con una buena alineación. Los procesos aplicados automáticamente requieren operarios con un alto grado de habilidad técnica combinado con buenos sistemas de alineación y soporte. El proceso automatizado elegido es GMAW y es utilizado generalmente ya sea con un anillo de refuerzo de cobre interno, o, si el diámetro es suficientemente grande, en un sistema interno de soldadura. Ambos enfoques añaden complejidad a la soldadura de campo e imponen ciertas restricciones en el uso de los modos de transferencia tradicionales GMAW.

Con anillos de soporte, existe la posibilidad de recogida de cobre inaceptable en la pasada de raíz. Con los sistemas de soldadura internos hay una tubería de diámetro mínimo por debajo del cual los sistemas no son prácticos. El proceso de soldadura ideal sería permitir la soldadura de un cordón de raíz  sin anillos de seguridad y los sistemas internos y tendrían un cordón de raíz con soldadura de sonido metálico y suficiente para asegurar la acumulación de una soldadura de espesor completo. Esta soldadura no tendría ningún rebaje interno, sin falta de fusión, sin porosidad, y buenas propiedades mecánicas.

También debe considerarse la velocidad de soldadura cuando se mira la soldadura de pasada de raíz. El ritmo de colocación de tuberías está determinado por la rapidez con que se puede hacer la pasada de raíz. Aunque se puede obtener más tiempo poniendo más operarios en esta pasada, hay un límite práctico para este enfoque. Por tanto, las altas velocidades de desplazamiento son esenciales. La velocidad es necesaria para mantener horarios y controlar los costos de alquiler de equipos.

Gran parte de la soldadura de tubería de hoy en día es en las economías emergentes a nivel mundial, a menudo en climas inhóspitos y remotos y deben basarse en grupos locales de trabajo. Esto significa que el proceso utilizado debe hacer frente a las condiciones adversas del clima,  temperaturas extremas, y humedad. La mano de obra local necesita disponer de las habilidades necesarias o de un fácil aprendizaje. El equipo de soldadura debe ser fiable, robusto y duradero.

Cuando los factores anteriores son tenidos en cuenta, destacan dos procesos de soldadura como principales, el proceso SMAW y el hilo tubular. En el caso del SMAW, Figura 1, las ventajas son utilizar electrodos celulósicos en vertical descendente en lugar de electrodos de bajo hidrógeno, incluso en aceros de gran resistencia. Debido a que los electrodos celulósicos generan una cantidad importante de gases de protección, y tienen un arco centrado y contundente tienden a tener mejores propiedades y control en las pasadas de raíz. Una fuerza de arco elevada ayuda a mantener el baño de soldadura y el control de escoria en vertical descendente, y una velocidad de desplazamiento elevada. Los electrodos de bajo hidrógeno utilizan principalmente la escoria para proteger el baño de soldadura y puede conducir a la contaminación del baño de la parte posterior del cordón, lo que reduce las propiedades e incrementa la posibilidades de porosidad. La relativa baja penetración de los electrodos de bajo hidrógeno en comparación con los celulósicos, también significa que las brechas de raíz más amplias se deben utilizar para aumentar el tiempo de soldadura y ralentizar el proceso de soldadura. Los electrodos celulósicos pueden poner en la pasada raíz velocidades que exceden 14 pulgadas/minuto (356 mm por minuto) y con acumulaciones en el interior por debajo de 1/16 pulgadas (1.6 mm).

Las preocupaciones por fisuras con electrodos celulósicos se abordan con precalentamiento adecuado y control de la temperatura entre pasadas y mediante el uso de procedimientos que aseguran el ligamento adecuado en la pasada de raíz. El precalentamiento y la temperatura entre pasadas son dictaminadas por la química del acero que hoy en día son más tolerantes que antes. El uso del tamaño correcto del electrodo permite asegurar un ligamernto adecuado. La fisura del cordón de raíz se puede minimizar si no se mueve la abrazadera de alineación hasta que se haya completado la segunda pasada .

Hilo tubular autoprotegido, Figura 2, tiene las ventajas del SMAW con electrodos celulósicos incluyendo fuerza de arco, alta penetración y excelente control del baño de la soldadura cuando se suelda en vertical descendente. Además, este proceso tiene las ventajas de los procesos automatizados incluyendo alta tasa de deposición, velocidades de desplazamiento elevadas, y niveles de hidrógeno controlado. Este es un método para la soldadura X80, donde la fisuración por hidrógeno en el  material base no es un problema para la pasada de raíz ,pero la fisuración por hidrógeno en el metal de soldadura, podría ser un problema en las pasadas siguientes.

 

Pipe: Overview of Processes Used to Weld High Yield Pipe 

 

 

Pipe: Overview of Processes Used to Weld High Yield Pipe 

 

La soldadura con hilo tubular autoprotegido coincide con la soldadura MIG excepto por el hecho de que la atmósfera de protección del arco y del baño de soldadura se genera en el propio arco, a través de la combustión de componentes internos del hilo tubular. Es un proceso muy conveniente para soldadura en exterior, ya que evita manipulación de botellas de gas a la vez que proporciona una muy buena protección a pesar del viento. Genera un significativo ahorro de costes.

 

                 Tabla 2. Electrodos Soldadura Vertical Descendente

CLASE AWS

       API 5L Niveles Resistencia        

 

 X42

X46

X52

X56

X60

X65

X70

X80

PASADAS

DE RAÍZ

 

 

 

 

 

 

 

 E6010

 X

X

X

 

 

 

 

 

 E7010G

 

 

X

X

 

 

E8010G 

 

 

 

 X

X

X

X

X

E71T-13H8 

 X

X

X

X

X

X

X

X

PASADAS

EN CALIENTE

RELLENO Y

PEINADO

 

 

 

 

 E6010

 X

X

X

 

 

 

 

 

 E7010G

 

 

 X

X

X

X

 

 

 E7010G

 

 

 X

X

X

X

 X

 

 E71T8-K6

 X

 X

X

X

X

X

X

 

E91T8-G 

 

 

 

 

 

 

 

 X

 

 

Observe en la tabla superior que se recomienda el proceso con hilo tubular sólo para la soldadura X80 una vez se hayan completado la raíz y las pasadas en caliente.


 

Pipe: Overview of Processes Used to Weld High Yield Pipe 

 

Ambos procesos son capaces de ofrecer propiedades que cumplan o superen las propiedades mínimas especificadas para el material base, que es todo lo que la mayoría de los códigos de gobierno requieren. Aquí hay algunos resultados de la prueba para dos grados de tubería que se ejecutan con la típica junta. Figura 3.

 

 

 

 Tabla 3. 0.720 pulgadas (18 mm) Resultados Grado 5LX70

Propiedades Tubería

R.Tracción (ksi)

Lim. Elástico (ksi)

Especificado

 82

70

Actual

113

90 

Weld (E8010-G)

 

 

Actual

 83

77

CVN-37 ft-lb @ -50° F
(50 joules @ -46° C)

 

 

 

 

 

Tabla 4. 0.70 pulgadas (18 mm) Resultados          Grado 5LX80

Propiedades Tubería

R.Tracción (ksi)

Lim.Elástico (ksi)

Especificado

90-120

80

Actual

 

 

Weld (E91T-8-G)

 

 

R.Tracción Reducida

96

 

CVN 76 ft-lb @ -40° F
(103 joules @ -40° C)

 

 

 

 

Economía en Soldadura
El único problema que no se discute todavía es la economía. Hay muchas cosas que afectan al coste de la soldadura incluyendo los costes de material, coste de equipos, tasas de trabajo y otros. La comparación del tiempo en completar la soldadura de una junta será utilizado como un  indicador relativo de coste.En el supuesto de que los costos de equipos y tasas de mano de obra sean similares, el tiempo de completar una junta será indicadtivo de los costos, menor tiempo se traduce en menos costos y mayor productividad. Todas las comparaciones se hicieron utilizando el detalle de una junta típica utilizada anteriormente para simplificar los resultados. En realidad las preparaciones compuestas pueden reducir el tiempo total de tubería de pared pesada. Las comparaciones de soldadura que se utilizarán son .750 pulgadas (19 mm) pared, 48 pulgadas (1219 mm) diámetro tubería.

 

 

     Tabla 5. Procedimientos Típicos Toda la Progresión es en Descendente, Posición 5G

 Tipo Electrodo

Corriente(Amp)

Desplazamiento (pulgadas/min)

 PASADA DE RAÍZ

 

 

 5/32 EXX10

135DC+

11

 .068E71T-13H8

190DC-

7.5

 PASADA EN CALIENTE

 

 

 5/32 EXX10

170DC+

15

 5/64 E71T-8-K6

245DC-

15

 RELLENO Y PEINADO

 

 

 3/16 EXX10

200-240DC+

COMO NECESARIO

 5/64 E71T-8-K6

300DC-

COMO NECESARIO

 

  

     Tabla 6. Tiempos de Soldadura

 Procedimiento de Raíz

Tiempo Pasadas (min)

Tiempo Total (min)

Todos EXX10

13.7

241

EXX10 RAÍZ, FCAW-S
RELLENO Y PEINADO

13.7

184

TODOS FCAW-S

20.2

164

 

 

Estos tiempos representan hombres/minutos de soldadura. La junta hecha con hilo tubular autoprotegido tiene el tiempo más bajo, pero la combinación de electrodo con hilo tubular da lugar a una mayor cantidad de tubería determinado por el ahorro de tiempo en la pasada de raíz. Esta combinación resultará el mejor compromiso en general de reducción de tiempo total y máxima tubería soldada.


Conclusiones
Como puede ver  la soldadura con electrodo y la soldadura tubular autoprotegida presentan costos eficaces para producir soldaduras de calidad en campo. También la mejor solución para soldadura de tubería de alto rendimiento en campo es utilizar una combinación de procesos de soldadura. 

Referencias
Welding Handbook, 8th Edition, (1991) American Welding Society, Miami

The Procedure Handbook of Arc Welding, 13th Edition, (1994), Lincoln Electric Company, Cleveland