Soldadura en Tubería de Alto Rendimiento


Resumen Hoy en día hay muchas maneras de soldar tubería de alto rendimiento en el campo.Es necesario entender estos diversos procesos para asegurar que el proceso seleccionado satisface los requisitos de calidad y productividad de un proyecto de tubería.Se discuten varios procesos, con énfasis en el arco de metal blindado de soldadura con electrodos celulósicos y núcleo autoprotegido de fundente de soldadura por arco.IntroducciónEn el mundo actual las tuberías de transmisión de campo traviesa tienen que abordar diversos temas, incluyendo presiones más altas de servicios, productos aácidos, nuevos aceros de alta resistencia, entornos operativos más severos, códigos de gobierno más estrictos, y una serie de problemas ambientales.Estas condiciones deben ser equilibradas por las necesidades del contratista de tuberías para controlar los costos y completar el proyecto en tiempo y forma sin dejar de cumplir con los más estrictos requirimientos de calidad.El conocimiento de los procesos de soldadura puede ayudar a que el contratista a cumplir con sus necesidades y ofrecer la calidad requerida.Este mismo conocimiento puede ayudar a entender al ingeniero especificando que hay muchas maneras de satisfacer sus necesidades de calidad y diseño, sin imponer costes innecesarios al contratista.

Varios procesos y combinaciones de procedimientos utilizados en la actualidad para la soldadura de campo de tubos de conducción a campo traviesa.Estos incluyen la soldadura por arco de metal blindado (SMAW), auto blindado flujo de arco con núcleo de soldadura (FCAW-S), y la soldadura por arco metálico con gas (GMAW).Con el modo de transferencia GMAW también se debe tener en cuenta, arco corto, arco corto controlado así como de la tensión superficial Transfer®, spray, y globular.La atención se coloca en aquellos procesos que se prestan a la alta calidad y la alta productividad de campo de soldadura con la inversión capital conservadora.Revisión de tubería de AceroActualmente las tuberías de acero son de mayor resistencia que las utilizadas anteriormente y están diseñadas con la soldabilidad adecuada.Los aceros utilizados comúnmente en oleoductos y tuberías de gas a campo traviesa se ajustan a la especificación API 5LX o similares.

Tabla 1. Resumen de espeficicaciones API 5L

X42

X46

X52

X56

X60

X65

X70

X80

Extensible (ksi)

60

63

66

71

75

77

82

90-120

Campo (ksi)

42

46

52

56

60

65

70

80


Los niveles de fuerza pueden lograrse por varios métodos, incluyendo la química bruta, micro-aleación, y la expansión en frío de la tubería cuando se produce. La tendencia en los grados de mayor resistencia es utilizar la expansión en frío y micro-aleación de modo que el Carbono y Manganeso se mantengan a niveles relativamente bajos, reduciendo la zona afectada por la dureza del calor y ayuda a reducir, aunque no a eliminar las fisuras de Hidrógeno en el metal de la soldadura. Por ejemplo, es típico ver el contenido de carbono de menos de 0,05% en los aceros modernos X70 y X80, algunos aceros X80 tienen valores Pcm, de menos de 0,20.Procesos de soldaduraObviamente el primer paso en la soldadura de tubería es ejecutar el paso de raíz. Este es quizás el paso más crítico en una soldadura de tubería por varias razones.En primer lugar, este es el paso más difícil en una soldadura de tubería, para procesos aplicados manualmente requiere buena habilidad del operador, combinado con un buen control del proceso y una buena alineación.Procesos aplicados automáticamente se requieren operadores con un alto grado de habilidad técnica combinada con buenos sistemas de alineación y de respaldo.Hoy, el proceso automatizado por elección es el de soldadura por arco de gas, ya sea con un anillo de cobre interno de copia de seguridad, o, si el diámetro es lo suficientemente grande, un sistema de soldadura interna.Ambos enfoques añaden complejidad al ámbito de la soldadura e imponen ciertas restricciones al uso de los modos tradicionales de transferencia de GMAW.Con anillos de reserva, existe la posibilidad inaceptable de recoger cobre en el paso de raíz.Con los sistemas internos de soldadura hay un diámetro mínimo de tubería del cual los sistemas no son prácticos. El proceso ideal sería permitir un cordón de raíz de soldadura sin anillos de copia de seguridad y los sistemas internos tendrían un cordón de raíz de soldadura con sonido metálico para asegurar la acumulación total de una soldadura de espesor.Esta soldadura además no tendría ningún corte sesgado interno, sin falta de fusión, sin porosidad y con buenas propiedades mecánicas.La velocidad de soldadura debe ser considerada tambié cuando se mira en la soldadura del paso de raíz.El ritmo de colocación de tuberías está determinada por la rapidez con la que el paso de raíz se ha hecho.Mientras se puede obtener algún tiempo poniendo más operadores en este paso, hay un límite práctico en este enfoque.Por lo tanto, las altas velocidades de desplazamiento son esenciales.Se necesita velocidad para mantener los horarios y controlar los costos de alquiler de equipo.Hoy día en las economías emergentes del mundo gran parte de la soldadura de tubería, a menudo en climas inhóspitos y remotos se recurre a fuentes de trabajo locales para soldadores.Esto significa que el proceso utilizado debe hacer frente a condiciones adversas del clima como el viento, las temperaturas extremas y la humedad.Se necesitan las habilidades necesarias que pueden ser aprendidas en las fuentes de trabajo. El equipo de soldadura requerido debe ser robusto, fiable y duradero.Cuando todos los factores antes mencionados son considerados, surgen dos procesos de soldadura conocidos como, blindado de soldadura por arco metálico y auto blindado con núcleo de fundente de soldadura por arco.En el caso de la soldadura por arco metálico protegido, Figura 1, hay ventajas al utilizar en aceros de mayor resistencia, electrodos celulósicos que corren en dirección vertical descendente en lugar de electrodos de bajo hidrógeno.Debido a que en el uso de los electrodos celulósicos se genera una cantidad significativa de gases de protección y tienen un arco contundente centrado, estos electrodos tienen las mejores propiedades para el paso de raíz y para el control del paso de raíz.La fuerza de arco alto ayuda a mantener el charco y control de escorias en la progresión vertical descendente, y en altas velocidades de desplazamiento.Los electrodos de bajo hidrógeno utilizan principalmente escoria para proteger el charco de soldadura y esto puede conducir a la contaminación en el dorso de la perla, por lo tanto reduce las propiedades de la soldadura y la posibilidad en el aumento de la porosidad.Relativamente la baja penetración de electrodos de bajo hidrógeno en comparación con electrodos celulósicos también significa una amplitud en las brechas de raíz las cuales deben ser usadas para aumentar el tiempo de soldadura y ralentizar la operación. Los electrodos celulósicos pueden alcanzar velocidades en el paso de raíz que exceden las 14 pulgadas por minuto (356 mm por minuto) y con consistentes acumulaciones por bajo 1/16 de pulgada (1.6 mm).El agrietamiento con electrodos celulósicos se tratan con un adecuado precalentamiento y control de la temperatura entre pasadas, mediante el uso de procedimientos que aseguran el ligamento adecuado en el paso de raíz.El precalentamiento y las temperaturas entre pasadas son dictadas por las propiedades químicas del acero que hoy son más tolerantes que antes.Utilizar el tamaño correcto de electrodo en el medio a la porción inferior del rango asegura un ligamento adecuado.El agrietamiento en la raíz de la perla tambien puede ser minimizado sin mover la pinza de alineación hasta que el segundo pase se haya completado.La soldadura por alambre tubular auto-protegido, Figura 2, tiene ventajas de la soldadura de arco de metal protegido con electrodos celulósicos, incluidos la alta fuerza del arco, la alta penetración y el excelente control del charco al soldar con una progresión vertical descendente.Adicionalmente, este proceso tiene ventajas de procesos automatizados, incluyendo altas tasas de deposición, altas velocidades de desplazamiento, arco alto sobre los tiempos, y los niveles de hidrógeno controlados.Frecuentemente la auto protección es usada sobre los pasos de raíz hechos con soldadura protegida por arco metálico. Este es un método para la soldadura X80, donde el agrietamiento por hidrógeno en el acero principal no es importante pero si para la paso de raíz por el agrietamiento del metal en la soldadura por hidrógeno.

Pipe: Overview of Processes Used to Weld High Yield Pipe

Pipe: Overview of Processes Used to Weld High Yield Pipe

La soldadura por arco metálico protegido se genera por la descomposición del flujo en el arco.La soldadura por alambre tubular auto-protegido cuenta con estabilizadores y materiales básicos que generará la auto protección cuando llegan al arco.Ambos procesos trabajan en condiciones externas bajo condiciones climáticas severas que incluyen temperaturas extremas y fuertes vientos.Asimismo, tanto por la soldadura de arco metálico protegido con electrodos celulósicos y la soldadura por alambre tubular auto-protegido son fáciles de aprender por operadores que ya han manejado arco metálico protegido.Por ejemplo, un instructor fue capaz de entrenar y calificar en API 1104 a más de noventa operadores de soldadura que no estaban familiarizados la soldadura por alambre tubular auto-protegido.

Tabla 2. Vertical Down Pipe Welding Electrodes

AWS CLASS

API 5L Strength Levels

X42

X46

X52

X56

X60

X65

X70

X80

RAÍZ

PASE

E6010

X

X

X

E7010G

X

X

X

X

E8010G

X

X

X

X

X

E71T-13H8

X

X

X

X

X

X

X

X

CALIENTE

LLENO

Y

CAP

PASOS

 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

 

Notice in the above table that only the self shielded arc welding process is recommended for the welding of X80 once the root and hot passes are completed.


Pipe: Overview of Processes Used to Weld High Yield Pipe

 

Ambos procesos son capaces de cumplir o exceder las propiedades mínimas para metal base que requieren la mayoría de los gobiernos. Aquí hay algunos resultados de las pruebas de dos categorías de tuberías con la unión típica de tubo, el detalle se muestra en la Figura 3.

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

Propiedades de tubería

Extensible(ksi)

Rendimiento (ksi)

Especificaciones

82

70

Actual

113

90

Soldadura (E8010-G)

Actual

83

77

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

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

Propiedades de tubería

Tensile (ksi)

Rendimiento (ksi)

Especificaciones

90-120

80

Actual

Soldadura(E91T-8-G)

Reducción de la sección de tracción

96

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

La soldadura en la economía
El único problema que aún no se ha discutido es el de la economía. Muchos factores afectan el costo de la soldadura incluyendo los costos de material, de equipo, indicadores laborales y algunos otros fuera del alcance de este documento.Para propósitos de comparación entre el tiempo completado y el tiempo para una unión soldada se utilizará el indicador relativo de costo.El supuesto es si los costos de equipo y los indicadores laborales son similares, el tiempo para completar una unión soldada será el indicativo de costos, menos tiempo, esto se traduce en costos menores y mayor productividad.Todas las comparaciones se realizaron utilizando el detalle utilizado anteriormente para simplificar los resultados.En realidad las preparaciones compuestas pueden reducir el tiempo total en tubería pesada de pared.Se utilizarán comparaciones de soldadura de 0.750 pulgadas (19 mm) en pared y 48 pulgadas (1219 mm) diámetro de tubería.

Tabla 5. Procedimientos típicos Toda progresión cuesta abajo, 5G Posición

Electrodo Tipo

Corriente (Amp)

Viaje (in/min)

PASO RAÍZ

5/32 EXX10

135DC+

11

.068E71T-13H8

190DC-

7.5

PASO CALIENTE

5/32 EXX10

170DC+

15

5/64 E71T-8-K6

245DC-

15

LLENADO Y CAP

3/16 EXX10

200-240DC+

SEGÚN SEA NECESARIO

5/64 E71T-8-K6

300DC-

SEGÚN SEA NECESARIO

Tabla 6. Tiempo de soldura

Proceso Raíz

Tiempo Paso (min)

Tiempo Total (min)

Todo EXX10

13.7

241

EXX10 RAÍZ, FCAW-S
LLENAR Y CAP

13.7

184

ALL FCAW-S

20.2

164

Estos tiempos de soldadura representan minutos-hombre. El conjunto realizado con soldadura por alambre tubular auto-protegido tiene el tiempo total más bajo, pero la combinación de arco metálico protegido con la soldadura por alambre tubular auto-protegido dará como resultado una gran cantidad de tubería estableciendo en un día determinado el ahorro de tiempo en la paso de raíz.Esta combinación dará como resultado el mejor compromiso global de reducción del tiempo total y en un período dado la máxima tubería establecida.ConclusionesComo se puede ver, la soldadura por arco de metal blindado y la soldadura por alambre tubular auto-protegido presentan modos económicos para producir soldaduras de calidad en bajo condiciones de campo.Además, la mejor solución para la soldadura de tuberías a campo traviesa a menudo es utilizar una combinación de procesos de soldadura.

Referencias
Manual de Soldadura, octava edición, (1991) American Welding Society, Miami {UT3} {UT4} El Manual de Procedimiento de soldadura por arco, 13ª edición, (1994), Lincoln Electric Company, Cleveland