Mejora de la Producción de Tubería de Alto Rendimiento

Los aceros de alta resistencia están ofreciendo muchas ventajas a la industria de la tubería. Estos aceros permiten el uso de tubería más delgada a presiones de funcionamiento  más altas. Estos aceros también pueden reducir los costos totales de construcción. Sin embargo,los propietarios de oleoductos y diseñadores están buscando estos nuevos aceros y presentando un reto para la industria de la soldadura y la fabricación que deben responder con formas rentables para unirse a ellos. Para complicar el asunto, estos aceros de alto rendimiento han superado el  metal de soldadura fabricado convencionalmente en términos de resistencia al agrietamiento por hidrógeno y tenacidad a la fractura.

Pipe: Welding Methods to Improve Production of High Yield PipeLa última evolución de estos aceros de tubería de alta resistencia es X-80, que tiene un rendimiento mínimo específico de 80 ksi. Con aceros incluso más avanzados previstos en breve, se están creando oportunidades únicas para la industria de la soldadura al arco para introducir nuevos consumibles de soldadura y procesos capaces de soldar estos aceros de alta resistencia. La prioridad en la industria de la soldadura es la calidad. Todos los fabricantes de tuberías necesitan proporcionar soldaduras repetitivas y de alta calidad.

Desde que el proceso SMAW ha sido adecuado para producir seguridad y tuberías económicas, la industria ha sido lenta en adoptar los avances más recientes en el desarrollo del proceso de soldadura. El proceso SMAW es decir los electrodos celulósicos ha mantenido el proceso más común para la soldadura de tuberías y  tiene una mayor capacidad que otros procesos para acomodar condiciones no ideales tales como pobre fit-up. Sin embargo, como aumenta la resistencia del acero, se ha convertido en un riesgo mayor de fracaso ,ya sea debido a fisuras por hidrógeno o tenacidad reducida. El riesgo de fisuración por hidrógeno es el principal problema con los electrodos celulósicos en aplicaciones de mayor resistencia.    El hidrógeno se disuelve en el baño de soldadura. Después de enfriar, el hidrógeno difusible, a diferencia del unido químicamente, puede causar porosidad y fisuración durante la solidificación en la soldadura finalizada. Esta humedad se origina principalmente a partir  de la humedad de los componentes orgánicos. Deben ser evaluados los intentos de adaptar los procesos y procedimientos de soldadura a X-80 y aceros de mayor resistencia. Para aprovechar las ventajas de la resistencia de la tubería, el metal de soldadura debe coincidir ya sea la fuerza de la tubería o excederlo. El proceso de soldadura y los consumibles deben ser controlados para minimizar el riesgo de fractura frágil en la soldadura durante la fabricación de tuberías y el consiguiente riesgo de fisuración por hidrógeno. Además de las demandas para una mayor productividad.


Introducción

Los procesos manuales de bajo hidrógeno adecuados para la soldadura de circunferencias en tuberías, han estado disponibles desde hace algún tiempo,pero a pesar de su disponibilidad y ventajas en términos de susceptibilidad reducida de fisuras, rara vez se han utilizado en la producción hasta la actualidad.

Con la llegada de los nuevos aceros de alta resistencia como el X-80,  cualquier proyecto de gaseoducto, aunque no considere su uso, tanto contratistas como ingenieros deben aceptar los avances en los procesos de soldadura.

Los aceros de alta resistencia ofrecen muchas ventajas a la industria de la tubería. Estos aceros permiten el uso de tuberías más delgadas a presiones de funcionamiento más elevadas y pueden reducir los costos totales de construcción. Sin embargo,  como los propietarios de oleoductos y los diseñadores buscan estos nuevos aceros, presentan un reto para la soldadura  y la industria de fabricación que deben responder con métodos rentables de unirse a ellos. Para complicar el asunto, estos aceros de alto rendimiento, han superado el metal de soldadura fabricado convencionalmente en términos de resistencia a fisuración por hidrógeno y tenacidad a la fractura.

Está fabricado con una combinación de tratamiento térmico y mecánico que produce mayor fuerza sin una aleación elevada. Tales avances en el procesamiento termomecánico en los aceros (TMCP) hacen posible lograr el equilibrio entre resistencia y tenacidad, pero con una mayor resistencia al calor en la zona afectada por el agrietamiento.

Con los factores positivos en cuanto a los materiales de mayor rendimiento el mayor desafío es cómo soldar estos aceros. La tubería de acero ya no es el factor límite en la metalúrgia. Por ejemplo, los aceros ya no son tan sensibles a la fisuración por hidrógeno como lo son los materiales de soldadura convencionales. Es por esto que es importante examinar la fisuración por hidrógeno y las posibles soluciones en relación con el metal de soldadura.

Fisuración por Hidrógeno
Es el principal problema con electrodos celulósicos en aplicaciones de mayor resistencia. Este hidrógeno se origina principalmente al quemarse el recubrimiento del electrodo, que contiene humedad y componentes orgánicos, que se disuelven durante el baño de la soldadura. Al enfriarse, el hidrógeno difusible, a diferencia del ligado químicamente, puede causar porosidad durante la solidificación y formación de grietas una vez finalizada la soldadura. Por eso es fundamental que se reduzcan al mínimo los niveles de hidrógeno.

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Con respecto a la cuestión del hidrógeno, el reto es reducir al mínimo el riesgo de agrietamiento del metal de soldadura controlando los factores de influencia.

1. Minimizar la cantidad de hidrógeno que está disponible a través de una selección juiciosa de los consumibles y controles del proceso de soldadura.

2. Reducir al mínimo las tensiones, tanto residual como aplicada.

3. MInimizar la resistencia del metal de soldadura, controlando así la susceptibilidad de la microestructura. Algunas industrias han empleado con éxito metales de soldadura con resistencia  no equiparable, dependiendo de los requisitos del diseño.

Cabe señalar que con respecto al hidrógeno, el riesgo de fisura puede ser minimizado, pero es imposible eliminarlo. Puesto que todas las microestructuras de acero son suceptibles a las grietas, es simple cuestión de control de los niveles de hidrógeno y de tensión simultáneamente.

Un informe publicado en 1996 por El Instituto de Soldadura titulado “ Evaluation of Low Hydrogen Processes For Pipeline Construction in High Strength Steel”, (PR-164-9330) investigó los procesos adecuados para la  soldadura de tubería grado X80.

        "Se obtuvo el más exitoso funcionamiento de la soldadura de raíz utilizando la fuente de corriente STT® de Lincoln Electric y el alambre LA90. La STT proporconó un control muy preciso de transferencia de metal, lo que dio lugar a buenas características de manejo, mínimas proyecciones y emisiones de gases bajas. El soldador TWI involucrado en los ensayos fue depositando cordones de raíz satisfactorios en un plazo de dos horas una vez introducido el equipo de soldar. Las velocidades de soldadura de raíz eran comparables con el electrodo celulósico."

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¿Cuál es la forma correcta de unir tuberías?
Depende de muchas variables, incluyendo ajuste en marcha, accesibilidad, el terreno, si es un tie-in o cruce, si se trata de una soldadura de reparación, la habilidad del soldador y otros muchos factores.

Cada posible proceso de soldadura tiene sus propios méritos, y no hay una respuesta única y clara para cada aplicación. Deben ser considerados los intentos de adaptar los procesos de soldadura de aceros de mayor resistencia. Además, están siempre presentes las demandas de una mayor productividad y la calidad.

Pasada de Raíz
Tradicionalmente la soldadura de raíz y pasadas en caliente se han completado mediante un electrodo celulósico.
Sin embargo en el material tipo  X-80, se aplican restricciones. La deposición de pequeñas pasadas de soldadura a velocidades elevadas, son posibles con un control suficiente de la temperatura de precalentamiento. 

Se requiere precalentar para disminuir la velocidad a la que se enfría la soldadura, permitiendo así que el hidrógeno se difunda, además, el uso del precalentamiento puede ayudar a controlar las tensiones residuales en la zona de soldadura.

Si bien este enfoque no sacrifica nada en términos de tasa de deposición, comparado con las prácticas actuales en la tubería de menor rendimiento, la necesidad potencial de altos niveles de precalerntamiento puede limitar la productividad en general.

En la actualidad no es recomendable soldar con electrodos celulósicos en X80, ya que es más de 10 mm de espesor.

El uso de electrodos básicos de "bajo hidrógeno" para las pasadas de raíz como cuestiones de productividad. Aunque pueden producir una décima parte del nivel de hidrógeno en comparación con un electrodo celulósico, la principal desventaja es que el proceso es lento en comparación con cualquier otro, aparte del Gas Tungsten Arc Welding (GTAW).

Mientras que el proceso SMAW ha sido utilizado, y se puede utilizar para crear juntas de soldadura de calidad aceptable en aceros de alto rendimiento, los problemas de productividad hacen al proceso SMAW menos atractivo que la soldadura con un proceso de alambre continuo. Dado que no hay un límite máximo de fuerza  para los electrodos celulósicos debido a los altos niveles de hidrógeno, y los pobres niveles de productividad con los electrodos básicos de bajo hidrógeno, se requieren alternativas.


Productividad en Soldadura

Para la soldadura de tubería en el campo, el tiempo transcurrido para eliminar la abrazadera de la tubería, es el indicador crítico de la productividad en soldadura. El tiempo transcurrido dependerá de un número de factores que incluyan la fuerza del depósito de soldadura, la dimensión soldada del ligamento y el nivel de hidrógeno.

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La velocidad de la soldadura en la pasada de raíz, determina el avance de la construcción y por tanto es el punto central que se presta mejor a los avances tecnológicos. Los sistemas mecanizados pueden soldar más rápido que los manuales o mecanizados, siempre y cuando se tenga en cuenta la preparación de las juntas y el ajuste para asegurar el control del proceso adecuado.


Preparación y Presentación

En soldadura manual y semiautomática, el oficial o ajustador de tubos tiene una tolerancia en la que el operario puede compensar la variación en el ajuste de la junta –En la soldadura automática que la tolerancia es más crítica, la geometría del bisel y la línea ascendente y la separación debe ser tratado mecánicamente.

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Preparación – Pipe Facing Machines (PFM’s). La redondez y la consistencia de la unión son más importantes al hacer la soldadura con un sistema automatizado . Por tanto, el uso de un PFM en el campo es crítico para el éxito y la calidad de la soldadura, independientemente si se utiliza una máquina para pasada de raíz interna o externa. 

Presentación –Después de la preparación se pueden adoptar dos enfoques. Un enfoque es tener la pasada de raíz soldada en modo arco corto en el interior de la tubería con múltiples antorchas. Las tasas de producción pueden ser altas pero el proceso requiere mucho cuidado en la preparación de la junta y su ajuste. Si esto no es perfecto, entonces hay una mayor probabilidad de que se realicen muchas soldaduras de mala calidad en un corto período de tiempo.

Una segunda opción es soldar la pasada de raíz desde el exterior utilizando una abrazadera interna, como se muestra arriba. La secuencia de funcionamiento es un tanto diferente a las abrazaderas internas convencionales, primero está ubicado en la tubería, y el primer conjunto de platos internos se expanden en un mandril duro. Esto alinea la abrazadera con el ID de la tubería y se lleva a cabo cualquier ovalidad.

El segundo paso es traer cerca la siguiente sección de tubería. El segundo conjunto de platos se enganchan, los cuales sujetan la pieza de tubería en un mandril suave. Una vez en un plato suave, la pinza es separada, lo cual obliga a juntar los dos tubos..

Un conjunto de mandriles en estado blando, permiten que el tubo se mueva, por lo que las dos caras de la tubería están a tope hasta que quedan apretadas y juntas. El segundo conjunto de mandriles son accionados en un mandril duro que lleva de nuevo a cabo cualquier ovalidad. La etapa final es el espacio externo de la abrazadera dando al obrero un espacio uniforme predeterminado alrededor de la tubería .

Los procesos MIG/MAG Automáticos y Semiautomáticos proporcionan una oportunidad de aumentar la productividad y tasas de deposición con un número menor de paradas / arranques. Sin embargo, tradicionalmente el modo cortocircuito ha sido identificado como un riesgo por falta de fusión.

La soldadura de arco corto es considerada con bajo aporte de calor. Sin embargo, la corriente, que es proporcional a la velocidad de alimentación del hilo, se puede aumentar para dar mayor entrada y aumentar la penetración. Esto puede resultar en un delicado equilibrio entre demasiado poco y demasiado, y requiere una considerable habilidad del operario para evitar defectos como "bigotes" internos. Es necesario que haya suficiente calor para fundir los bordes internos, pero no tanto como  para "soplar a través ".  El operario tiene que unir el baño con el arco para lograr la penetración correcta y no tiene mucho margen de desviación.

Estos defectos, se pueden detectar fácilmente por la evaluación estándar no destructiva de la industria. Por otro lado, GMAW tiene sus ventajas, los niveles de hidrógeno con GMAW son generalmente bajos, los requisitos de precalentamiento son mínimos y el agrietamiento rara vez es un problema.

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Transferencia por Corto Circuito (STT) Controlado
Un área de reciente innovación que ha proporcionado una ventaja operativa en la tubería de alta resistencia es la pasada de raíz abierta externa utilizando el modo transferencia por corto circuito controlado.

El modo transferencia por corto cirtuito controlado es diferente de varias maneras desde el proceso convencional CV . La fuente de corriente STT funciona sin corriente constante (CC) y sin voltaje constante (CV), ya que es una  máquina controlada en la que la potencia del arco se basa en los requisitos de arco instantáneos.

En principio, es una fuente de corriente, que tiene la capacidad de entregar y cambiar la corriente del electrodo en microsegundos.

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¿Cómo Funciona?
La corriente del electrodo suministrada por la STT es guiada por el estado de la tensión del arco.

Corriente de Base (T0 – T1). Es el nivel actual de corriente de arco antes del cortocircuito al baño de soldadura. Es un nivel de corriente constante entre 50 y 100A
Tiempo de "Bola" (T1 – T2). Es el período más largo en el ciclo, con corriente de base ajustable. Disminución Long. de Arco en el tiempo. Alta estabilidad de arco                                                                                                                                                                                                                                         Modo Pinch  (T2 - T3). Siguiendo el tiempo de bola, se aplica una corriente elevada al electrodo de cortocircuito en forma creciente, doble rampa. Esto acelera la transferencia desde el metal fundido del electrodo al baño de soldadura aplicando fuerzas de arrastre eléctricas.
Cálculo dv/dt (T2- T3). Este cálculo se incluye en el modo pinch. Es el cálculo de la tasa de cambio del electrodo de cortocircuito en función del tiempo, cuando este cálculo indica que un valor específico dv/dt se ha alcanzado, indicando que la separación fusible está a punto de producirse, la corriente se reduce a  50 A en microsegundos. (Nota esto ocurre antes de separarse el electrodo en cortocircuito . T4 indica que la separación ha ocurrido, pero a corriente baja)
Intensificación de Plasma (T5 – T6). Este modo sigue inmediatamente a la separación del electrodo del baño de soldadura. Es un período de corriente de arco elevada donde el electrodo es rápidamente "fundido"
Plasma (T6 – T7). Este es el período del ciclo donde la corriente del arco es reducida desde el impulso del plasma al nivel de corriente base.

El proceso se puede aplicar en los modos automático y semiautomático. Funciona en cortocircuito con diversas mezclas de gases de protección, incluyendo el dióxido de carbono 100% para acero suave, así como diversas mezclas de argón/oxígeno, argón/dióxido de carbono y argón/helio para acero inoxidable.

Soldadura de Relleno y Peinado
Los electrodos celulósicos se pueden utilizar si se tiene cuidado en el control de precalentamiento y temperaturas entre pasadas, con un espesor de tubería de hasta 10mm en X-80. Actualmente no es aconsejable tratar de soldar en espesores mayores de 10mm ya que  una mayor restrición y velocidad de enfriamiento incrementan el riesgo de agrietamiento por hidrógeno .
Los electrodos para soldadura en vertical ascendente de bajo hidrógeno no se utilizan para la soldadura de tuberías de transmisión debido a su baja productividad.

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Ahora es más común especialmente en Europa utilizar electrodos de bajo hidrógeno para soldadura en vertical descendente para soldar tubería de alto rendimiento. Los electrodos LH-D están diseñados para cualquier aplicación de soldadura en descendente donde se exije bajo hidrógeno. Aunque están diseñados especificamente para soldadura descendente en juntas de tubería, los LH-D son útiles en cualquier aplicación en vertical donde se requiera un depósito de bajo hidrógeno.

Las propiedades de impacto a baja temperatura son superiores a los electrodos celulósicos que poseen el mismo nivel de resistencia.Como los electrodos para soldadura en descendente tienen significativamente mayores tasas de deposición que los celulósicos para soldadura ascendente y descendente de igual diámetro, esto aumenta las posibilidades de mayor productividad, mientras cumplen con los requisitos de alta resistencia.

Proceso Semiautomático
Los procesos se pueden clasificar con gas de protección y autoprotegido.

Para el proceso GMAW con gas autoprotegido sería típicamente totalmente mecanizado, porque el área de la soldadura necesita ser protegida de los elementos. Si el contratista está preparado para proteger el área de soldadura, es más fácil utilizar una configuración totalmente automática..

Esto deja al proceso FCAW-S (autoprotegido) como la única soldadura seria semiautomática, la ventaja obvia es que usted gana en la reducción de  arranques de parada sin la necesidad de gas de protección auxiliar.

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Proceso Mecanizado
GMAW y FCAW-G son los procesos más comunes de mecanizado en soldadura para el relleno y peinado en tubería. Las técnicas actuales se basan en  arco corto o transferencia spray pulsada con velocidades de alimentación elevadas.

El avance y desarrollo en tecnología sobre fuentes de corriente podría producir posiblemente una mejora en la productividad.Junto con las mejoras y características de los alambres macizos y tubulares, será posible mejorar el rendimiento en soldadura y la deposición.

El proceso GMAW mecanizado tiene un enorme potencial para el futuro ya que requiere menos formación, produce resultados en niveles de bajo hidrógeno, una productividad elevada y una mejor calidad.

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Conclusiones
La dirección de la comunidad en soldadura debe seguir dos canales claramente definidos:

   1. Mejora de los procesos actuales de soldadura: la promoción de los diseños en consumibles manuales de bajo hidrógeno y semiautomática ,mejor control del hidrógeno,  resistencia y tenacidad. Aunque esta metodología puede resultar un éxito para las aplicaciones X-80, la creciente demanda de un mayor control del hidrógeno y una mayor dureza, probablemente impulsa a la industria a los nuevos avances tecnológicos en consumibles y sus procesos.

   2. Innovación en consumibles de soldadura y diseño de las fuentes de corriente. Los contratistas y fabricantes de tubería tienen mucho beneficio al adoptar estas tecnologías:

El desarrollo de la Transferencia por Corto Circuito Controlado utiliza la última tecnología para permitir el control previamente inalcanzable sobre diversas variables de arco. 

Avances en la separación de tubería, sujeción, sistemas Bug y Band y equipos de arco múltiple pueden ahorrar tiempo, incrementar calidad y reducir costes en los proyectos de tubería.

Avances en alambres macizos y tubulares limitarán el hidrógeno y permitirán flexibilidad en la fabricación.

Con la calidad y productividad en mente, Lincoln Electric está a la vanguardia de los procesos de soldadura de tuberías y está en constante búsqueda de soluciones para estos retos en aceros de alta resistencia.

Referencias

TWI: Evaluation of Low Hydrogen Processes for pipeline Construction in High Strength Steel – PR-164-9330

Elliot K. Stava: 1993 The Surface Tension Transfer® power source, A New, Low –Spatter Arc Welding Machine. Welding Journal 72(1): 25-29