Minimice Riesgos en Soldadura con Arco Sumergido en Offshore


 

Minimice riesgos en soldadura con arco sumergido en Offshore

El aumento de las tasas de deposición  en la soldadura con arco sumergido requiere una selección adecuada de los consumibles para alcanzar una dureza consistente y depósitos de soldadura con bajo hidrógeno difusible.

por Ben Schaeffer y Teresa Melfi, The Lincoln Electric Company

 

Integridad de la soldadura, calidad y consistencia son compatibles con una mayor productividad y costes más bajos de fabricación, siempre y cuando se tomen en consideración los factores clave. El efecto del hidrógeno difusible, la selección de los sistemas de aleación y la elección de los procedimientos de soldadura, juegan un papel crucial en el mantenimiento de una elevada consistencia y calidad en las soldaduras offshore.

Soldadores e Ingenieros en Soldadura se enfrentan a retos distintos en una era de creciente escrutinio por las regulaciones gubernamentales, representantes de los propietarios y agencias de clasificación de sociedades. Los representantes de los propietarios siguen de cerca la actividad de soldadura en los astilleros en busca de menos de un uno por ciento de tasa de defectos en el rendimiento general de la soldadura antes de la adjudicación de los contratos. Esto requiere
que las empresas de ingeniería de diseño, fabricación y construcción se replanteen el margen de seguridad en sus procesos de soldadura.Los diseños incorporan cada vez materiales de mayor resistencia,procedimientos de soldadura más elevados incluso en procesos automatizados como la soldadura con arco sumergido (SAW).Sin embargo los cambios en las variables de soldadura también puede aumentar el contenido de hidrógeno,influyendo el riesgo de fisuración retardada.La fisuración relacionada con el hidrógeno es conocida por ser una función de la cantidad de hidrógeno, la susceptibilidad de la microestructura y las tensiones residuales en el metal.Los procedimientos y prácticas que influyen en la difusión del hidrógeno a menudo son pasadas por alto. El aumento de la productividad en la soldadura, casi siempre resulta en las pasadas de soldadura más gruesas y más pasadas de soldadura por hora (durante menos tiempo entre pasadas). El resultado son distancias más grandes de difusión, períodos de tiempo más cortos para salir el hidrógeno y mayor riesgo relacionado con la fisura.Estos factores, especialmente cuando se combinan con las microestructuras de aceros de mayor resistencia,común en la industria offshore, requiere una nueva visión sobre el control del hidrógeno en cada aspecto de la soldadura.

Además de un mayor riesgo de fisuración por la propiedades mecánicas del hidrógeno, tales como la fisura Crack Tip Opening Displacement (CTOD) la tenacidad a menudo sufre cuando los cordones de soldadura más grandes son depositados con consumibles de soldadura convencionales y sus procesos. Este artículo cuantifica los factores de riesgo más allá de los explorados en hidrógeno difusible estandarizado y el ensayo CTOD, disipar algunas creencias comunes y proponer otras. A partir de esto, las opciones se han establecido para mitigar estos riesgos en un entorno real de estructuras pesadas de offshore. Como tal, es importante que las empresas de offshore aumenten sus requisitos técnicos para las soldaduras y busquen nuevas tecnologías y estrategias para mantener la coherencia y calidad de las propiedades del depósito de soldadura, así como lograr una mayor productividad. Para SAW, esto se logra a través de actualizaciones de los procedimientos de soldadura en combinación con la selección adecuada de los consumibles de soldadura.

 

Aumento de la productividad con la Tecnología CA

La fabricación de plataformas offshore y sus componentes requiere un compromiso inquebrantable con la calidad de la soldadura así como un compromiso de gastos administrados cuidadosamente y sus programas de producción.Una nueva tecnología en fuentes de corriente SAW es el Control Forma de Onda CA (AC Waveform Control). Como se muestra en la Figura 1 el Control Forma de Onda CA permite aumentos significativos en las tasas de deposición de los electrodos, lo que permite una mayor productividad de la soldadura con el mismo aporte de calor.

 

 

 Minimizing Risk in Offshore Submerged Arc Welding Minimizing Risk in Offshore Submerged Arc Welding

Figura 1: Aumento de la Tasa de Deposición Obtenido con la Power Wave® AC/DC 1000 SD 

 

Los resultados son reducción de la soldadura y costos operacionales y aumento de la productividad del equipo de soldadura en aplicaciones de soldadura individual o multiarco.Y, con los requisitos de la corriente de entrada reducidos hasta un 50 por ciento para algunos de los nuevos inverter basados en el  sistema SAW, los usuarios reportan consistentemente importantes ahorros de energía que con los equipos SAW tradicionales. El aumento de la tasa de deposición no viene sin un precio, sin embargo, ese precio es el riesgo, especificamente, el riesgo de fallar en las propiedades mecánicas (dureza) y el riesgo de fisuración relacionado con el hidrógeno.

Tenacidad CTOD y Selección de Consumibles

El aumento de la productividad a través del Control Forma de Onda CA SAW, se asocia con tasas de deposición elevadas, a menudo acompañado por pasadas de soldadura gruesa. Muchos sistemas de aleación desarrollan tenacidad cuando el metal de soldadura depositado se vuelve a calentar y refinado por pasadas de soldadura posteriores (Ver Figura 2). Los cordones de soldadura gruesos resultan con mayor tasa de deposición y pueden afectar a las propiedades mecánicas al aumentar el porcentaje de como-depositado (sin refinar) del metal de soldadura. El metal de soldadura sin refinar se asocia con microestructura de grano grueso, más de límite del grano de ferrita y menor dureza en MN-Si (acero suave)  y los sistemas de aleaciones Mn-Si-Ni.

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Figura 2: Metal de soldadura refinado en una soldadura con Arco Sumergido

 

El tamaño del cordón de soldadura y su colocación son especialmente influyentes en la tenacidad del depósito de soldadura cuando dichas adiciones de aleación no son realizadas. Cordones de soldadura más pequeños y más pasadas aseguran un mayor contenido de metal de soldadura refinado pero limitan la productividad de la soldadura. Los avances tecnológicos en fluxes para Soldadura con Arco Sumergido permiten una mayor tenacidad en la soldadura del metal sin refinar de los sistemas de acero suave y baja aleación y sin hacer sacrificios tradicionales a hidrógeno difusible o facilidad de soldadura a altas tasas de deposición. La Tabla 1 muestra que la tenacidad CTOD @-10ºC del metal de soldadura predominantemente sin refinar (CMT +5 mm, véase la Figura 2) se acerca a la de predominantemente refinado (soldadura de la linea central CMT), ver Figura 2), tanto para el acero suave y los depósitos de baja aleación cuando se utiliza un flux diseñado en consecuencia. Estos resultados muestran la tenacidad constante a través de un depósito de soldadura, incluso a una concentración total más alta de metal de soldadura sin refinar e implican un menor riesgo de fallos relacionados con tenacidad, es posible cuando la modificación de diseños conjuntos y procedimientos de soldadura para la mejora de la productividad. 

 

 

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Tabla 1: A través de Valores de Tenacidad CTOD @-10ºC para Depósito de Acero Suave;  Weld Centerline (WCL) se compone de metal de soldadura principalmente refinado y la WCL +5 mm consta de metal de soldadura en su mayoría sin refinar, ver Figura 2 para una descripción de ubicación del ensayo CTOD.

 Los valores uniformes CTOD para un depósito de soldadura también pueden servir como su propia mejora de la productividad. Los valores CTOD cuantifican una resistencia de soldadura para la propagación de fisuras dúctiles.Durante la soldadura multipasada de secciones gruesas, las tensiones residuales se acumulan y deterioran la capacidad de unas soldadura para resistir la propagación dúctil de la fisura (y reduce los valores de CTDO).
Post Weld Heat Treatment (PWHT) es utilizado a menudo por los fabricantes para aliviar las tensiones residuales de soldadura.De acuerdo a la norma estándar Offshore DNV-OS-F101:

Post Weld Heat Treatment (PWHT) se llevará cabo para las uniones soldadas de C-Mn y acero baja aleación con un espesor de pared superior a 50 mm, a menos que las pruebas de resistencia a la fisuración muestre valores aceptables en condición como soldado..

Valores CTOD coherentes en la condición como soldado eliminan la necesidad de PWHT, reduciendo significativamente los costes y mejora la productividad.

 

Hidrógeno Difusible y Selección de Consumibles

La selección adecuada de los consumibles de soldadura es también vital en altas tasas de deposición para resistir un fallo común - retraso en la fisuración por hidrógeno en los cordones de soldadura más gruesos.

La calificación de los materiales y los procedimientos de soldadura utilizados en las aplicaciones marinas y tuberías estructurales críticas a menudo incluye una extensa soldadura y ensayos bajo condiciones de producción para la validación de las propiedades mecánicas, incluyendo tenacidad CTOD. Dado que el ensayo del hidrógeno difusible es extremadamente dificil de cuantificar fuera de un laboratorio, lo mismo no es cierto para su validación. Para complicar aún más la situación, es el hecho de que la mayoría de los metros de offshore se encuentran en zonas de alta humedad cerca del mar. Estos factores hacen que sea aún más crítico que una combinación de alambre SAW y flux sean robustos en su capacidad para depositar metal de soldadura con bajo hidrógeno - directamente de su embalaje y después de la exposición a ambientes húmedos.

El modo de fallo utiliza la frecuencia, severidad y detección de defectos en la determinación de una calificación de riesgo. Algunos fabricantes pueden considerar baja la frecuencia de fisuración por hidrógeno. Fisuras en las soldaduras de cualquier tubería submarina o componente, es un defecto grave, con mayor riesgo de fracaso debido a la dificultad asociada con la detección de fisuras de hidrógeno. Las fisuras de hidrógeno se pueden iniciar de inmediato o dias después de la soldadura. La Figura 3 muestra que aunque el volumen medio de hidrógeno aumenta con las subsiguientes pasadas de soldadura, el hidrógeno del metal depositado ha sido medido al ser más concentrado ( es decir, hidrógeno por 100 gr. de metal depositado) en las primeras pasadas de soldadura de una unión con múltiples pasadas.En este caso, las fisuras de hidrógeno pueden estar localizadas en lo profundo de una unión ( juntas comunes de offshore son tan profundas como 3 ó 4 pulgadas) que requiere técnicas sofisticadas NDT para detección y un costo elevado de reparación.

 

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 Figura 3: Hidrógeno Difusible en Soldadura Multipasada

 

 

La sección transversal de una fisura de hidrógeno (Figura 4a) a partir de una soldadura de alta resistencia indica que tales fisuras también se pueden iniciar inmediatamente.Esta fisura mostró que se originan en el primer paso de una soldadura multipasada. La superficie de la fisura expuesta (Figura 4b) confirmó inmediatamente la fisura como una coloración térmica en la primera parte de la pasada. Los factores de gravedad y detectabilidad producen un alto riesgo asociado con las fisuras de hidrógeno en las soldaduras estructurales offshore.

 

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 Figura 4: Ejemplo de Fisuración por Hidrógeno en Soldadura Multipasada

 

Como se muestra en la Figura 5, el aumento de tiempo entre pasadas (especialmente temperatura entre pasadas) es eficaz para reducir el contenido del hidrógeno difusible. Aunque el aumento del precalentamiento y la temperatura entre pasadas ayuda a mitigar el riesgo de fisuración por hidrógeno, estas prácticas también pueden reducir la resistencia del metal depositado. Otros métodos de reducción del hidrógeno difusible reducen la productividad. Una vez más evitar estas prácticas hacen especialmente importantes la selección y manipulación de consumibles.  

 

 

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 Figura 5: El Hidrógeno Difusible Time-Decay para una sóla pasada; no fue necesario más de una hora para un espécimen (a 250 °F) para reducir a la mitad su contenido inicial de hidrógeno difusible

 

Todos los fluxes SAW (aglomerados y fusinados) tienen una correlación única entre el contenido de humedad y el hidrógeno difusible.Las caracterísitcas de humedad del Flux son igualmente importantes para minimizar el riesgo de fisuración relacionado con el hidrógeno. Esta relación limita el contenido mínimo de hidrógeno alcanzable dado para un flux, incluso después de pre-hornear o pre-secar el flux. Las fotos de la Figura 6 muestran la diferencia entre el hidrógeno difusible obtenido a partir de un flux que se considera estándar en la industria para el uso en aplicaciones offshore en Europa y Asia en comparación con la de un flux diseñado y fabricado con las nuevas tecnologías. El nuevo flux Lincolnweld® 842-H™ es único en el mercado, y ha sido desarrollado para su uso en aplicaciones offshore. Ha sido diseñado para producir un hidrógeno difusible ultra-bajo, típicamente menos de 3ml/100g de metal depositado tanto en polaridad CA como CD, reduciendo la posibilidad de fisuración. Esto es muy valioso para la industria offshore, donde son críticos la coherencia en la operatividad la resistencia al impacto y el hidrógeno difusible bajo.

 

 

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Figura 6: Difusión del hidrógeno a partir de dos muestras; las muestras fueron soldadas y probadas utilizando los mismos procedimientos; los valores de hidrógeno difusible corresponden a la condición "Como Recibido" en Figura 7

 

La capacidad de utilizar un flux sin estar pre-acondicionado, reduce el coste y la complejidad, mientras que minimiza la posibilidad de error durante la manipulación. La nueva tecnología utilizada en el diseño, fabricación y envasado del flux permite la soldadura con el Lincolnweld® 842-H™ directamente desde su envase.Aquí la nueva tecnología se compara de nuevo con el flux "estándar de la industria", y la magnitud de la diferencia en hidrógeno difusible después de la exposición es sorprendente. Los fabricantes y los inspectores están a menudo cómodos con un nivel de hidrógeno difusible de 5ml por 100 g de metal depositado, pero estarían preocupados por un valor próximo a 15 ml por 100 g de metal depositado.

 

 

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Figura 7: El Hidrógeno Difusible de los Fluxes tras Humidificación;  el potencial de hidrógeno para el flux  Como-Recibido así como para el flux expuesto a una humedad elevada, debe ser mínimo para reducir el riesgo de fisuración relacionado con el hidrógeno

 

Conclusión
Las especificación de los consumibles y las aplicaciones SAW para aguas profundas y ultraprofundas, requiere previsión y diligencia con el fin de producir soldaduras robustas que no sólo resisten ambientes agresivos, también cumplen con la calidad y pruebas estándares cada vez más exigentes en la industria, como los valores CTOD.

Las últimas fuentes de corriente inverter AC/DC de soldadura con control de forma de onda CA, tienen el potencial de aumentar enormemente la productividad. Esto, combinado con una tenacidad elevada, y un flux con hidrógeno bajo puede alcanzar los objetivos de reducción de costes al tiempo que se reducen los riesgos. Las nuevas tecnologías aplicadas a las fuentes de corriente SAW y el diseño del flux hacen todo esto posible.

 

Originally printed in the American Welding Society Welding Journal, March 2013.