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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL
“ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS MATERIALES DURANTE EL PROCESO DE SOLDADURA
MANUAL POR ARCO ELÉCTRICO CON ELECTRODO REVESTIDO”
INFORME DE SUFICIENCIA
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO QUÍMICO
POR LA MODALIDAD DE ACTUALIZACIÓN DE CONOCIMIENTOS
PRESENTADO POR:
CARLOS CHRISTIAN RETAMOZO MEZA
LIMA – PERÚ
2015
2
DEDICATORIA
El presente Informe está dedicado a mis dos (02) hijos que desde que llegaron a este
mundo fueron el motivo para poder salir adelante, a mi esposa que con su sacrificio y
tolerancia me permitieron llevar de manera adecuada y eficaz el desarrollo del
informe, a mi madre que siempre me apoya con sus consejos y con sus bendiciones, a
mi hermana que siempre fue la razón para esforzarme cada día y al Señor Dios por
permitirme poder tener salud y bienestar cada día.
3
AGRADECIMIENTO
Agradezco a mis hijos, que con su existencia alegran todos los días de mi vida y son
mi motivo para lograr mis objetivos.
Agradezco a mi esposa, que con su paciencia, comprensión e incentivo me permitió
asumir el reto de concluir con el primer gran paso de mi vida.
A mi madre, que con su ejemplo, coraje y consejos me da fuerzas para seguir
adelante y seguir superándome cada día.
A mi hermana, que con su presencia y apoyo permitió que me esfuerce cada día más
y por ser una persona muy importante para mí.
A mi familia, que contribuyeron a tener el bienestar familiar que siempre quise y que
me permitió desarrollar con normalidad el presente curso.
A Dios, que guió cada paso mis decisiones y metas planteadas permitiéndome ser
mejor cada día.
4
RESUMEN
En el presente informe se demostrará el comportamiento mecánico de los materiales
que se ven alterados, producto del proceso de soldadura manual por arco eléctrico
con electrodo revestido, durante la etapa de reparación preventiva de oleoductos en la
selva peruana.
En el capítulo I se comentará brevemente el campo de aplicación del trabajo y su
aplicación en las industrias.
En el capítulo II se conocerán los conceptos y las técnicas a desarrollar durante el
informe, los mismos que nos permitirán entender la secuencia lógica de un proceso
de soldadura, comportamiento de los materiales, procedimientos a emplear y técnicas
de inspección para el aseguramiento de la calidad.
En el capítulo III iniciamos el desarrollo del trabajo con una breve descripción del
lugar donde se desarrolla la actividad, para luego hablar específicamente del proceso
que se utiliza para la unión de materiales, estudio del material empleado y los
cálculos necesarios que demuestren el comportamiento del material en el proceso de
soldadura, y finalmente las técnicas de inspección empleadas actualmente en la
industria para el aseguramiento de la calidad del proceso.
Finalmente, en el capítulo IV se presentarán las conclusiones que se tienen luego del
desarrollo del trabajo y las recomendaciones que se debe tener en cuenta para llevar a
cabo un proceso de soldadura para la unión de metales de manera satisfactoria.
5
INDICE
I. INTRODUCCIÓN .........................................................................................8
II. DESARROLLO DE LOS CONCEPTOS Y TÉCNICAS ............................10
2.1. Composición Química del Acero ...............................................................................10
2.2. Propiedades Metalúrgicas ........................................................................................11
2.2.1. Componentes de la Microestructura de los Aceros al Carbono ...................11
2.2.2. Diagrama de Fase Hierro-Carbono ...............................................................11
2.2.3. La microestructura de los aceros en estado de equilibrio ...........................12
2.2.4. Microconstituyentes del acero en estado de equilibrio ...............................17
2.3. Propiedades Mecánicas ............................................................................................22
2.4. Ciclo Térmico ............................................................................................................23
2.4.1. Distribución de la Temperatura ...................................................................24
2.4.2. Gradiente de Temperatura ..........................................................................27
2.4.3. Ciclo Térmico ...............................................................................................29
2.4.4. Determinación de la temperatura máxima en cada punto de la ZAC ..........32
2.4.5. Velocidad de Enfriamiento...........................................................................33
2.5. Carbono Equivalente (CE) .........................................................................................40
2.6. Zona Afectada por el Calor (ZAC)..............................................................................40
2.6.1. Concepto de Dilución en Soldaduras por Fusión..........................................41
2.7. Ensayos Destructivos (Ensayos Mecánicos) ..............................................................43
2.7.1. Ensayo de Tracción ......................................................................................43
2.7.2. Ensayo de Dureza.........................................................................................44
2.7.3. Ensayo de Resiliencia ...................................................................................46
2.7.4. Ensayo de Doblado ......................................................................................46
2.8. Ensayos No Destructivos (END) ................................................................................47
2.9. Especificación del Procedimiento de Soldadura (WPS) ............................................47
2.10. Revisión de los procesos de soldadura utilizados en la industria .............................47
6
2.10.1. Soldadura por Fusión con Arco Eléctrico .....................................................49
2.10.1.1. Soldadura por Arco Eléctrico manual con electrodo metálico revestido 50
2.10.1.2. Principio de Funcionamiento de la soldadura por arco eléctrico ............50
2.10.1.3. Nociones de Electricidad con relación al arco eléctrico ..........................51
III. ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS MATERIALES DURANTE EL PROCESO DE SOLDADURA MANUAL POR ARCO ELÉCTRICO CON ELECTRODO REVESTIDO ....................................56
3.1. Datos Generales .......................................................................................................56
3.1.1. Ubicación del proceso ..................................................................................56
3.1.2. Desarrollo de la Actividad ............................................................................58
3.1.3. Consideraciones para la Calificación del Procedimiento de Soldadura ........59
3.2. Soldadura Manual por Arco Eléctrico con Electrodo Revestido (SMAW) .................59
3.3. Características del proceso SMAW ...........................................................................61
3.4. Clasificación de los electrodos según norma AWS ...................................................62
3.5. Clasificación de los materiales según norma API ......................................................62
3.5.1. Análisis del Material Base ............................................................................62
3.5.2. Análisis de los materiales de aporte ............................................................64
3.6. Cálculo de CE y Soldabilidad del material utilizado ..................................................66
3.7. Cálculo de la Dureza de la ZAC .................................................................................67
3.7.1. Cálculo del tiempo de enfriamiento, t8/5 ....................................................68
3.7.2. Cálculo de Dureza ........................................................................................69
3.8. Determinación de la Temperatura de Precalentamiento. ........................................72
3.9. Determinación de la Velocidad de Enfriamiento (VCT) ............................................73
3.10. Análisis de variables de soldeo que modifican las propiedades mecánicas de los elementos soldados. ...........................................................................................................74
3.11. Estimación de la ZAC para el soldeo de tuberías por el proceso SMAW...................77
7
3.12. Ensayos Mecánicos a probetas soldadas por el proceso SMAW ..............................78
3.13. Abreviaturas .............................................................................................................79
3.14. Impacto Ambiental ...................................................................................................79
IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...........................................81
4.1. Conclusiones .............................................................................................81
4.2. Recomendaciones ......................................................................................83
V. BIBLIOGRAFÍA .........................................................................................85
VI. ANEXOS .....................................................................................................86
ANEXO – 1: Características del Material Según Código Estándar API Especificación 5L – 2012, según el Proceso de Manufactura de la Tubería...............................86
ANEXO – 2: Composición química del material utilizado. .............................................87
ANEXO – 3: Propidades de tracción del material. ...........................................................87
ANEXO – 4: Composición Química y Propiedades Mecánicas del electrodo E6010. .....88
ANEXO – 5: Composición Química y Propiedades Mecánicas del electrodo E7010. .....89
ANEXO – 6: Resultado de Ensayo de Tracción de probeta soldada. ...............................90
ANEXO – 7: Curva Esfuerzo – Deformación de probeta soldada. ...................................91
ANEXO – 8: Resultado de ensayo para calificación de soldadores..................................92
ANEXO – 9: Registro de Calificación de Procedimiento (PQR) .....................................93
ANEXO – 10: Especificación de Procedimiento de Soldadura (WPS) ............................95
ANEXO – 11: Registro de Calificación de Soldador (WPQ) ...........................................97
ANEXO – 12: Certificado de Calidad Cellocord P-T E6010 ...........................................98
ANEXO – 13: Certificado de Calidad Cellocord 70-T E7010..........................................99
8
I. INTRODUCCIÓN
Todas las industrias de procesamiento y fabricación de productos a partir de una
materia prima están constituidas en su infraestructura principalmente por equipos de
almacenamiento (tanques, recipientes, separadores), equipos de procesos (reactores,
columnas de destilación, columnas de adsorción, intercambiadores de calor, hornos,
calderas) y tuberías de proceso o transferencia, los cuales están diseñados para
soportar ciertas condiciones de operación tales como presión, temperatura y flujo,
generalmente; dentro de la etapa de diseño se determina, entre otras cosas, el tipo de
material a utilizar y los espesores de pared mínimo.
Para el caso de las tuberías, uno de los parámetros más utilizados en el diseño es
establecer el espesor de pared mínimo que permita garantizar el normal
funcionamiento de la operación. Este espesor depende principalmente de la presión y
temperatura de diseño y de las características mecánicas del material requerido.
Justamente, el presente informe tiene como campo de aplicación las características
mecánicas del material y su comportamiento durante las etapas de transformación
que se llevan a cabo como resultado de la necesidad de construir o reparar por
ejemplo un sistema de transferencia de una determinada sustancia, el cual debe estar
conformado estructuralmente por un sistema de tuberías los cuales se deben
encontrar físicamente unidos, ya sea mediante elementos externos (bridas, pernos,
remaches) o mediante el uso de un tercer material de propiedades similares al de la
tubería.
Para nuestro caso se considerará que el sistema de tuberías requerido estará unido
mediante el uso de un tercer material de propiedades similares al de la tubería,
conocido generalmente como material de aporte, el cual mediante un proceso de
9
fusión generado por el paso de corriente a través de los materiales, se mezclarán y
formarán, al solidificarse, un material único y compacto y se logrará la unión física
de estos elementos.
Como producto del proceso de fusión de los materiales utilizado para la unión, se
generará un reordenamiento de las microestructuras de cada material, los cuales
generarán cambios en sus propiedades mecánicas finales y por ende en su
comportamiento mecánico.
10
II. DESARROLLO DE LOS CONCEPTOS Y TÉCNICAS
2.1. Composición Química del Acero
El acero es una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el
0,008% y el 1,7% en peso de su composición, dependiendo del grado del acero.
Cuando el contenido de carbono es superior al 1.7%, la aleación recibe el nombre de
fundición, material extremadamente duro y quebradizo que no puede ser deformado
ni extendido en forma de alambres o planchas, el cual se muestra en la figura 1.
Hierro Dulce
Acero Fundición
0%C 0.008%C 1.7%C 6.67%C
100%Fe 93.3%Fe
Figura 1: Diferencia entre acero y fundición por su composición química FUENTE: Introducción a la Metalurgia PUCP, pág. 4
El acero es uno de los materiales más utilizados debido a sus propiedades; existen
muchas variedades de aceros: aceros al carbono, aceros de baja aleación, acero al
cromo-molibdeno, aceros al carbono-manganeso, aceros de herramientas, aceros
inoxidables, aceros de muelles, etc. que se distinguen por su composición química y
propiedades.
Los aceros al carbono, poseen en su composición hierro, carbono, pequeñas
cantidades de manganeso (normalmente inferiores al 1.6%) y silicio (normalmente
por debajo del 0.55%), como impurezas poseen fósforo y azufre, el contenido de
estos elementos actualmente está limitado a un máximo del 0.035% por ser
sumamente perjudiciales. Estos aceros suelen tener un límite elástico inferior a 355
N/mm2 y una carga de rotura inferior a 520 N/mm2, estando su alargamiento
comprendido entre 10% y el 30%.
11
2.2. Propiedades Metalúrgicas
2.2.1. Componentes de la Microestructura de los Aceros al Carbono
El arreglo general de los granos, bordes de grano, y fases en una aleación metálica,
se llama microestructura. La microestructura es la principal responsable de las
propiedades de la aleación. La microestructura es afectada por la composición o el
contenido de aleantes, y por otros factores tales como conformación y operaciones de
tratamiento térmico. La microestructura se ve muy afectada por la operación de
soldadura, que en cambio, tiene influencia sobre las propiedades de la aleación.
Mientras que todos los metales exhiben distintas microestructuras, esta discusión
tratará exclusivamente con los cambios microestructurales que ocurren simplemente
con el acero al carbono, que es una aleación que consiste en combinación de hierro y
carbono.
También se pueden agregar otros elementos aleantes, pero sus efectos en la
microestructura no serán tan significativos como los del carbono.
Para introducir dicho tema, es importante darse cuenta que el hierro y los aceros
sufren cambios en su arreglo cristalográfico como resultado de los cambios en la
temperatura.
Esto es, según se calientan o enfrían las aleaciones hierro-carbono, ocurren cambios
alotrópicos. El hecho que ocurran estos cambios permite el cambio de propiedades
mecánicas para una aleación específica a través de la aplicación de distintos
tratamientos térmicos. Para entender los cambios que ocurren, los se usa un
diagrama, que muestra los rangos de distintos componentes microestructurales del
sistema hierro – carbono, este se le conoce como “Diagrama de Fase Hierro -
Carbono”.
2.2.2. Diagrama de Fase Hierro-Carbono
Este diagrama describe la naturaleza de las fases presentes en las aleaciones hierro-
carbono bajo condiciones cercanas al equilibrio, esto es calentamiento y enfriamiento
muy lentas.
12
Debe notarse que muchos de estos constituyentes microestructurales tienen nombres
múltiples y se pueden intercambiar. Por ejemplo, el hierro puro a temperatura
ambiente se conoce como hierro alfa o ferrita. El carburo de hierro que está presente
a temperatura ambiente se llama cementita o CFe3. La estructura cúbica de caras
centradas que aparece a temperaturas intermedias se conoce como hierro gama o
austenita.
Observando la figura 2 de la página 13, se nota que el eje vertical describe los
cambios de temperatura, mientras que el eje horizontal indica la cantidad de carbono
presente. En consecuencia, para un contenido de carbono dado, se puede trazar una
línea vertical que atraviesa el eje horizontal.
Moviéndose verticalmente hacia arriba, puede determinarse que microestructuras
existirán a distintas temperaturas.
Sea cual fuere el %C del acero, las fases que son estables a temperatura ambiente son
la ferrita y cementita.
2.2.3. La microestructura de los aceros en estado de equilibrio
Como se muestra en la figura 3 y Tabla 1, se considera que los aceros incluyen
dichas aleaciones que tienen desde 0.008% hasta 1.7% de Carbono. Dentro de este
rango, los aceros se dividen en tipo hipoeutectoide, eutectoide e hipereutectoide, con
el punto eutectoide (0.8% carbono) siendo la línea divisoria.
a. Aceros hipoeutectoides (%C < 0.8)
Se denomina así a todos los aceros con un contenido menor a 0.8%C. Si calentamos
un acero proeutectoide hasta una temperatura de 930°C (donde el acero se encuentra
totalmente austenizado) y luego procedemos a enfriarlo muy lentamente (en el
horno) hasta alcanzar la temperatura de 750°C. Al observar este acero al
microscopio, veríamos que parte de la austenita ha sido transformada en ferrita. Esta
ferrita que se forma inicialmente se le llama ferrita primaria o proeutectoide. Si
continuamos enfriando lentamente hasta alcanzar la temperatura de 723°C
(temperatura eutectoide), la austenita restante se transforma, de acuerdo a la reacción
eutectoide, en ferrita y cementita laminares, dando lugar a la perlita.
13
Figura 2: Diagramas de Fase Hierro – Carbono
Fuente: Google – Conceptos Generales de Proceso de Soldadura
14
Tabla 1: Características de aceros con diferente porcentaje de carbono.
Acero Hipoeutectoide
%C < 0.8
Acero Eutectoide
%C = 0.8
Acero Hipereutectoide
%C > 0.8
Ferrita proeutectoide
(o primaria) + perlita
Perlita Cementita proeutectoide
(o primaria) + perlita
FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 34.
La ferrita primaria ya no sufre ninguna transformación y el resultado a esa
temperatura es una microestructura constituida por ferrita proeutectoide + perlita.
En los acero hipoeutectoides, cuando el contenido de carbono es bajo, predomina
fuertemente la ferrita, a medida que el contenido de carbono va aumentando la
proporción de ferrita disminuye y coexiste con áreas de perlita.
b. Aceros Eutectoides (%C = 0.8)
Se denomina así a los acero que tienen un contenido de carbono igual a 0.8%. Los
aceros eutectoides son aceros empleados en la fabricación de herramientas de corte,
muelles y resortes o calibres para medición. Son aceros que pueden adquirir una
elevada dureza después de ser sometidos al tratamiento térmico de temple.
c. Aceros Hipereutectoides (%C > 0.8)
Se denomina acero hipereutectoide, a aquellos aceros que en su composición y de
acuerdo con el diagrama hierro-carbono tienen un porcentaje de carbono entre el
0,77% y el 1.7% de Carbono. Su constituyente principal es la cementita (Carburo de
hierro (Fe3C)). Es un material duro y de difícil mecanización.
Figura 3: Esquema de la transformación del acero en estado de equilibrio de la austenita para tres aceros de diferentes porcentajes
de carbono. (Izq) Acero Hipoeutectoide, (Centro) Acero Eutectoide, (Der) Acero Hipereutectoide.
FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 38.
16
El producto microestructural de la aleación hierro-carbono de composición
eutectoide es la perlita. La perlita y la cementita proeutectoide constituyen los
microconstituyentes de los aceros hipereutectoides con un contenido en carbono
superior al de la composición del eutectoide que es de 0,77% hasta el límite del 2%
donde el producto de la aleación hierro-carbono pasa a denominarse fundición. Para
mejorar la poca maquinabilidad del acero hipereutectoide se le somete a un
tratamiento conocido como recocido globular, mediante el cual el carburo adopta una
forma esférica o globular.
Los aceros hipoeutectoides están constituidos por una estructura de granos de ferrita
en la que se intercalan colonias de perlita. Son, por lo tanto, bastante dúctiles y
resistentes, reduciendo su ductilidad y aumentando la resistencia mecánica y la
dureza conforme aumenta la proporción de perlita a media que aumenta el contenido
de carbono. Se han propuesto diversas fórmulas para expresar la resistencia o la
dureza de un acero hipoeutectoide enfriado lentamente: unas en función de las
proporciones de ferrita y perlita; otras, en función del contenido de carbono.
Se ha visto que un acero, al ser austenizado y enfriado muy lentamente (en la
práctica esto se logra dejando enfriar el elemento de acero dentro del horno en el que
previamente es calentado), adquiere una microestructura de ferrita y cementita en la
forma de perlita (acero eutectoide), ferrita y perlita (acero hipoeutectoide) o perlita y
cementita (acero hipereutectoide) según sea el %C del acero.
Este calentamiento, manteniéndose a la temperatura de austenización y enfriamiento
posterior muy lento recibe el nombre de tratamiento térmico de “recocido”. Cuando
el mismo acero, en vez de ser enfriado en el horno, es enfriado en el aire, recibe el
nombre de tratamiento térmico de “normalizado”. Solamente esta pequeña diferencia
17
en el enfriamiento puede provocar importantes cambios en las propiedades
mecánicas del acero, dos de las cuales se muestran en la figura 4.
Figura 4: Comportamiento de propiedades mecánicas (resistencia a la tracción y
dureza) en función del %C y tipo de tratamiento térmico.
FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 41.
2.2.4. Microconstituyentes del acero en estado de equilibrio
En los estados de equilibrio que se alcanzan durante el enfriamiento muy lento de los
aceros desde el estado líquido, aparecen sucesivamente diversos microconstituyentes.
Las características de la aleación, dependen de la naturaleza de estos constituyentes y
de la forma en que éstos se encuentren presentes en ella. Los microconstituyentes
18
que se describirán a continuación son la ferrita delta, la austenita, la ferrita alfa, la
cementita y la perlita.
Ferrita delta (δ)
Aparece a temperaturas superiores a 1495°C, donde se inicia la solidificación de los
aceros con carbono inferior al 0.50% y por encima de esa temperatura coexiste en
equilibrio con la fase líquida. Es una solución sólida intersticial de carbono en hierro
δ cúbico de cuerpo centrado (CC). La solubilidad de este hierro por el carbono es
muy escasa, alcanzando un máximo de 0.10%C a 1495°C. La reducida extensión del
dominio de equilibrio de la solución δ, las elevadas temperaturas a las que esta fase
existe y la imposibilidad de retenerla en equilibrio metaestable (cuasi estable) a la
temperatura ambiente, incluso mediante temples más violentos, hacen que sea
difícilmente observable y sus propiedades escasamente conocidas. Para los aceros
comunes (al carbono o de baja aleación), esta fase no ejerce mayor influencia sobre
las propiedades mecánicas y tecnológicas del acero.
Austenita (γ)
Es una solución sólida intersticial de carbono en hierro cúbico de caras centradas
(CCC). La solubilidad del hierro γ por el carbono alcanza a 1154°C un valor máximo
del 2.0% de Carbono.
Aún cuando la austenita solamente se encuentra en equilibrio en los aceros a
temperaturas superiores a A3, se la puede retener a temperatura ambiente mediante
enfriamientos suficientemente enérgicos, especialmente en los aceros aleados. La
austenita es la solución sólida Fe-C de mayor densidad. Su conductividad eléctrica es
aproximadamente una décima parte de la conductividad de la ferrita y no es
magnética. Las características mecánicas de la austenita varían con el contenido de
19
carbono. El esfuerzo máximo de tracción (resistencia a la tracción) varían entre 88 y
105 Kg/mm2 y su dureza oscila alrededor de las 2300 unidades Brinell (HB).
La austenita puede existir en el acero hasta una temperatura de 723°C. Por debajo de
esta temperatura, es inestable y se transforma en ferrita y cementita. Solamente en
aceros altamente aleados es posible conseguir austenita a temperatura ambiente,
como es el caso de algunos aceros inoxidables.
Ferrita alfa (α)
Es una solución sólida intersticial de carbono en hierro α cúbico de cuerpo centrado
(CC). La capacidad para disolver el carbono en su estructura es muy inferior que la
de la austenita, pudiendo disolver sólo hasta 0.025%C a una temperatura de 723°C.
La resistencia a la tracción de la ferrita es de unos 28 Kg/mm2 y su alargamiento
aproximado es de un 35%. Su dureza es de unas 90 unidades Brinell. Comparando
con las propiedades mecánicas de la austenita, podemos comprobar que la ferrita es
el constituyente más blando del acero.
Una de las transformaciones importantes que ocurren en el acero es la
transformación de los distintos constituyentes a temperatura ambiente (ferrita, perlita,
cementita, y combinaciones de estos) a austenita, que es una estructura cúbica de
caras centradas de hierro y carbono. Con calentamiento, esta transformación
comenzará a ocurrir a 723°C (1333°F). Excepto para un contenido de Carbono de
0.8%, el porcentaje del eutectoide, esta transformación ocurrirá en un rango de
temperaturas, y la transformación completa sólo tiene lugar cuando la temperatura se
eleva sobre la curva llamada A3. En el hierro puro, la transformación se completa a
910°C (1670°F), mientras que un acero eutectoide sufrirá una transformación
completa a 722°C (1333°F).
20
Con un enfriamiento muy lento, ocurrirá el mismo cambio en sentido reverso. La
existencia de esta transformación permite endurecer o ablandar los aceros mediante
el uso de distintos tratamientos térmicos. Cuando se calentó un acero hasta el rango
austenítico y se permitió un enfriamiento lento en su rango de transformación, la
estructura resultante contendrá perlita. Esta estructura puede aparecer sólo cuando se
permite un tiempo suficiente para permitir la difusión de los átomos hasta llegar a esa
forma. La difusión no es otra cosa que la migración de los átomos dentro de la
estructura de metal sólido. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la movilidad de
los átomos en la estructura cristalina. Cuando el enfriamiento desde la austenita
ocurre en forma suficientemente lenta, se formará perlita. Los aceros que son
tratados térmicamente para producir perlita generalmente son muy blandos y
dúctiles.
Cuando el enfriamiento desde el rango austenítico ocurre más rápidamente, en esta
transformación hay cambios significativos para una aleación de un acero dado.
Primero, la transformación ocurrirá a una temperatura menor.
En segundo lugar, la microestructura resultante cambia drásticamente y se
incrementan la dureza y la resistencia a la tracción, con la correspondiente caída en la
ductilidad. A velocidades de enfriamiento más grandes, la principal microestructura
incluye perlita, bainita y martensita.
Con un ligero aumento en la velocidad de enfriamiento, la temperatura de
transformación desciende, produciendo una estructura perlítica más fina, con un
espacio menor entre las láminas. Esta estructura es ligeramente más dura que la
perlita gruesa y tiene algo menos de ductilidad. A velocidades de enfriamiento aún
más rápidas, y temperaturas de transformación menores, ya no se forma perlita.
21
En cambio, se forma bainita y su estructura tiene una forma de pluma de finas agujas
de carburo en una matriz ferrítica. La bainita tiene una resistencia y dureza
significativamente superior y menor ductilidad, siendo muy difícil de ver bajo el
microscopio.
Con un enfriamiento muy rápido, o temple, no hay tiempo suficiente para que ocurra
la difusión. En consecuencia, algo de carbón queda atrapado en la red. Si la
velocidad de enfriamiento es suficientemente rápida y la cantidad de carbono
presente es suficientemente alta, se formará la martensita. La formación de
martensita es un proceso de falta de difusión (la velocidad de enfriamiento es tan
rápida que los átomos no tienen tiempo de desplazarse). La transformación de
austenita a martensita se da a causa de una acción tipo corte (shear type) o mecánica.
La estructura cristalina resultante se conoce como una estructura tetragonal de cuerpo
centrado, que simplemente es una distorsión de la estructura cúbica de cuerpo
centrado en una rectangular. Debido a la presencia de esta forma de red
distorsionada, la estructura martensítica exhibe una energía interna más elevada o
deformación que da como resultado una resistencia a la tracción y dureza
extremadamente altas. Sin embargo, la martensita tiene como características baja
ductilidad y tenacidad.
Para mejorar la ductilidad y la tenacidad sin una disminución significativa de la
dureza y la resistencia a la tracción de la martensita, se emplea el proceso conocido
como ‘revenido’. Este tratamiento térmico consiste en recalentar la estructura
martensítica del temple a alguna temperatura por debajo de la temperatura más baja
de transformación (722 °C).
Esto permite al material templado solamente, de estructura martensítica inestable
pasar a ser martensita revenida permitiendo al carbono precipitar en forma de
22
partículas reducidas de carburo. Mediante la elección del tiempo de revenido y
temperaturas adecuadas, se pueden controlar la resistencia y ductilidad deseada.
Mayores temperaturas de revenido logran propiedades más blandas y dúctiles. El
tratamiento térmico de temple y revenido se usa frecuentemente para mejorar las
propiedades de los aceros con requerimientos mecánicos, debido que desarrollan
altas fluencia y a resistencia la tracción, altas relaciones resistencia de
fluencia/tracción y tenacidad a la entalla mejorada comparando con las propiedades
del laminado, recocido o normalizados.
2.3. Propiedades Mecánicas
Las propiedades mecánicas de los materiales determinan la capacidad que tienen para
resistir el efecto de las cargas o fuerzas (la presión, los golpes, etc.).
Estas propiedades dependen de la composición química del material, de su
estructura, el método de conformado y otros muchos factores como la temperatura o
el tipo de carga que se aplique.
Los esfuerzos sobre un material pueden ser de diferentes tipos: tracción, compresión,
cortadura, flexión y torsión.
Las propiedades mecánicas de los metales se clasifican en dos grandes grupos:
a) Las relacionadas con la resistencia, que miden la aptitud del material para resistir
a cargas estáticas, entre las que se distinguen:
• La resistencia, que es la aptitud del material para resistir las fuerzas que tienen a su
rotura o a causar deformaciones permanentes.
• La dureza, que es la resistencia que oponen los metales a ser penetrados
superficialmente.
23
b) Los relacionados con la deformabilidad, que gobiernan en gran medida su
capacidad para soportar cargas dinámicas sin romperse y, de otra, su aptitud para
aceptar, sin agrietarse o fracturarse, la profunda deformación plástica que se requiere
en ciertos proceso de conformación. Se distinguen:
• La elasticidad, que es la capacidad de los metales para recuperar su forma y tamaño
original después de retirar las fuerzas que provocaban una deformación elástica. Por
eso se dice que los neumáticos o las gomas son elásticos.
• La tenacidad, que es la capacidad de los metales para ser deformados sin romper.
• La resiliencia, que es la capacidad que tienen los materiales para resistir los golpes.
2.4. Ciclo Térmico
En los puntos anteriormente citados, se vio como las propiedades mecánicas de una
aleación están íntimamente ligadas a su microestructura. Asimismo, la
microestructura de una aleación depende de su “historia térmica”, es decir, de los
calentamientos y enfriamientos a los que ha sido sometido previamente. A esto se le
conoce como ciclos térmicos. Dependiendo de cómo haya sido el ciclo térmico, se
tendrá una determinada microestructura en la aleación y, por lo tanto, unas
propiedades mecánicas específicas.
De la misma forma, cuando aplicamos calor a un metal para unirlo por soldadura,
éste calor que aplicamos localmente a la zona de unión se transmite y viaja a través
del metal (que es un buen conductor del calor) a otras zonas del mismo, aumentando
también su temperatura.
Ello conduce a que estas zonas del metal pueden sufrir transformaciones
metalúrgicas como consecuencia de este calentamiento y posterior enfriamiento.
24
Pero también el calentamiento y enfriamiento locales traen como consecuencia
cambios dimensionales e el elemento, que pueden provocar distorsión o la formación
de esfuerzos en el elemento soldado.
Por lo tanto, el ciclo térmico es un evento inevitable en la soldadura por fusión, pero
puede ser controlado a fin de lograr los mejores resultados durante la soldadura.
2.4.1. Distribución de la Temperatura
Si el calor aportado por la soldadura no fluyera a través de la pieza a soldar, todo el
calor se concentraría solamente en la zona a fundir. De esta manera, una zona
estrecha en el material alcanzaría la temperatura de fusión, mientras que el resto del
metal permanece a la temperatura ambiente. Sin embargo, los metales son buenos
conductores, es decir, sus átomos transmiten rápidamente el calor a sus alrededores,
difundiéndolo a lo largo del elemento; entonces, si midiéramos la temperatura con
termocuplas en cada punto del material durante la soldadura, tendríamos una
distribución de la temperatura.
La distribución de la temperatura se muestra en forma de una curva y representa las
temperaturas existentes en un momento determinado, en varios puntos del metal que
ha sido o está siendo soldado. Estas curvas de distribución de temperaturas son muy
importantes, pues no permiten conocer en un momento determinado cuál es la
temperatura en diferentes puntos de la pieza que está siendo soldada. Al conocer la
temperatura en cada punto, se puede estimar las zonas del metal donde se verán
afectadas microestructuralmente e incluso se puede estimar el grado de distorsión a
la que estaría cometida la unión como consecuencia del calor de soldadura.
25
Ahora bien, la fuente de calor se aplica al elemento a soldar un lapso de tiempo
determinado; por lo tanto, es lógico pensar que en un primer momento, ésta se
caliente y luego, una vez que la fuente de calor deja de actuar, comienza a enfriarse.
Esto significa que cada punto experimentará una variación de su temperatura en
función de tiempo, es decir, un ciclo térmico. El Ciclo Térmico representa la
variación de la temperatura a lo largo de todo el tiempo de un punto cualesquiera del
metal durante la soldadura.
Si se representa los dos conceptos, distribución de temperaturas y ciclo térmico en un
mismo gráfico, se obtendrá una serie de curvas de temperatura que van cambiando en
el tiempo como se indica en la figura 5.
Figura 5: Distribución de temperaturas de una sección cualquiera a lo largo del eje x.
FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 79.
26
Si se coloca ahora termocuplas sobre toda la superficie de las planchas a soldar, para
medir en cada punto de aquella el ciclo térmico durante la soldadura y se dibuja las
curvas isotérmicas a partir de las mediciones de temperatura, se obtendrá una
representación como la mostrada en la figura 6.
Figura 6: Curvas isotérmicas en una plancha de acero sometida a soldadura a tope.
FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 81.
Tanto las curvas de distribución de temperatura como las isotermas dependen de los
siguientes factores:
El baño fundido, que actúa como foco de calor más o menos permanente.
Aquí los parámetros en cuenta son la intensidad de corriente el voltaje y la velocidad
de avance.
27
La masa del metal base, que absorbe el calor. Aquí el factor determinante es el
espesor del elemento a soldar y la configuración del tipo de junta.
La temperatura inicial del metal base, que incide sobre la gradiente de
temperatura. Aquí el factor a considerar es la temperatura del ambiente o la
temperatura a la cual el metal ha de ser precalentado antes de soldar.
2.4.2. Gradiente de Temperatura
Se le conoce como gradiente de temperatura o gradiente térmico a la diferencia de
temperatura que existe entre dos puntos separados entre sí una determinada distancia.
El gradiente de temperatura determina la velocidad del flujo de calor entre ambos
puntos. Es decir, cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas que existe entre esos
puntos (mayor gradiente térmico), tanto mayor será la velocidad de enfriamiento o de
calentamiento entre ellos.
Observe la figura 7. En ella se muestran dos distribuciones de temperaturas en una
unión soldada. En la curva de la izquierda, se observa un gradiente térmico entre los
puntos a y b; mientras que en la curva de la derecha el gradiente térmico es menor.
Al igual que en el ejemplo anterior, un menor gradiente térmico significa una menor
velocidad de enfriamiento. Por lo tanto, la soldadura de la derecha se está enfriando
más lentamente que la unión soldada de la izquierda.
Analice ahora lo que sucede durante la soldadura en diversos puntos de la unión
soldada. La figura 8 representa los ciclos térmicos correspondientes a los puntos 1, 2,
3, 4 y 5 ubicados en la unión soldada.
28
Figura 7: Gradiente de temperaturas en una unión soldada que se presenta entre dos
puntos cualesquiera de la pieza a soldar.
FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 82.
Figura 8: Ciclo térmico de diferentes puntos de una unión soldada, donde se indica el
gradiente térmico entre dos puntos cualesquiera.
FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 83.
29
2.4.3. Ciclo Térmico
El metal adyacente a una soldadura está expuesto a ciclos térmicos rápidos,
produciéndose en esta región diferentes y complejos cambios metalúrgicos.
Teóricamente, si pudiésemos conocer con precisión tanto los ciclos implicados en un
proceso de soldadura como la respuesta del metal o aleación a dichos ciclos térmicos,
podríamos predecir los cambios resultantes en la microestructura y en las
propiedades mecánicas y, de esta manera, resolver una serie de problemas de
soldabilidad que se presentan en la práctica.
Al respecto, existen datos acumulados considerables respecto al efecto del calor de
aporte de la soldadura por arco eléctrico sobre la distribución de temperaturas en las
proximidades del metal soldado; por ello, consideraremos aquí con algún detalle el
proceso de soldadura por arco eléctrico.
Factores que influyen en los cambios de temperatura durante la soldadura por
arco
La distribución de temperaturas en la soldadura por arco eléctrico con electrodos
revestidos (SMAW) está influenciada por los siguientes factores:
a) Aporte de Calor
El aporte de calor es la energía que se genera durante la soldadura. Puede ser de
origen químico, eléctrico o mecánico; en este caso nos referiremos
fundamentalmente a los proceso de soldadura por arco eléctrico.
El aporte de calor se expresa normalmente en términos de Joules por milímetro
(J/mm) de soldadura y se define como:
30
Sin embargo, de toda la energía generada en el proceso de soldadura, solamente una
parte es aprovechada para fundir las piezas a unir por soldadura. Esta energía o
aporte de calor neto viene condicionada por la eficiencia del proceso de soldadura
empleado (y, en menor parte, por la posición de soldadura). La figura 9 muestra una
tabla de las eficiencias térmicas de diferentes procesos de soldadura.
Figura 9: Eficiencia térmica de diferentes procesos de soldadura
FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 86.
Es importante observar que la soldadura oxiacetilénica tiene una eficiencia térmica
muy baja (35%), por lo que la cantidad de calor que se aporta es mucho más alta que
la necesaria para fundir la región de material a unir. Asimismo, el proceso SAW
(arco sumergido) tiene la eficiencia térmica más alta (caso 100%), debido a la capa
de escoria y flux que cubre la soldadura durante todo el proceso.
Así, el calor de aporte neto viene expresado por la siguiente ecuación:
31
Donde “f” es la eficiencia térmica del proceso de soldadura. Por lo tanto, el aporte de
calor es el parámetro más importante que condiciona las propiedades mecánicas de la
unión soldada dependientes de la microestructuras del material.
b) Temperatura inicial del material (o temperatura de precalentamiento)
c) Geometría de la soldadura
La geometría de la soldadura incluye el espesor del elemento, la forma y dimensión
del depósito de soldadura y el ángulo entre las piezas a unir.
d) Propiedades térmicas del material
La velocidad con que el calor fluye a través de un cuerpo para un gradiente de
temperatura determinado proporcional a la conductividad térmica e inversamente
proporcional al producto de la densidad por el calor específico. Por lo tanto, el
término difusividad térmica, empleado para describir las características térmicas de
un material, se define como sigue:
Donde:
K = conductividad térmica (cal/s/cm/°C)
δ = densidad (g/cm3)
C = calor específico (cal/g/°C)
32
k = difusividad térmica (cm2/s)
e) Diámetro del electrodo
Este factor de importancia secundaria, pero influye en el tamaño efectivo de la fuente
de calor.
Finalmente, debemos tener en cuenta que determinados rangos de temperatura
provocan en el metal transformaciones microestructurales que afectan
significativamente las propiedades mecánicas de la unión soldada.
2.4.4. Determinación de la temperatura máxima en cada punto de la ZAC
Como resultado del análisis de las transformaciones que sufren los metales durante el
proceso de soldadura, se presentan algunas ecuaciones que nos permiten analizar
mejor cómo afectan distintas variables sobre las diferentes características del ciclo
térmico en un proceso de soldadura, mostradas en la figura 10. La distribución de las
temperaturas máximas, en el metal base adyacente a la soldadura, viene dada por la
ecuación:
Figura 10: Soldadura a tope con penetración completa y de una sola pasada realizada
en plancha.
FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 95.
33
Donde:
Tmax = Temperatura máxima (°C) a una distancia Y (mm) del extremo o contorno del
metal fundido.
T0 = Temperatura inicial del material
Tfusión = Temperatura de fusión (°C)
Hneto = Energía aportada neta = f1.E.I/V (J/mm)
E = voltios; I = amperaje; f1 = rendimiento de la transferencia de calor, V =
velocidad de avance de la fuente de calor en mm/seg.
ρ = Densidad del material (g/mm3)
C = Calor específico del metal sólido (J/g°C)
ρC = Calor específico volumétrico (J/mm3°C)
t = Espesor del material a soldar (mm)
2.4.5. Velocidad de Enfriamiento
Después que un punto en el metal fundido o en sus proximidades ha alcanzado su
máximo de temperatura, la velocidad a la cual se enfría puede tener un significativo
efecto sobre la estructura metalúrgica y las propiedades mecánicas de la ZAC.
Si observamos el ciclo térmico de algún punto de la ZAC, veremos que no podemos
hablar de una velocidad de enfriamiento sino de varias velocidades de enfriamiento
según sea la temperatura a la cual se encuentra el acero durante su enfriamiento.
34
La utilidad de calcular la velocidad de enfriamiento a partir de los parámetros de
soldadura proviene del hecho de conocer si el enfriamiento provocará en el acero
microestructuras frágiles como aquellas obtenidas por las transformaciones
martensíticas. Para que la austenita se transforme en martensita, se requiere de
enfriamientos que permitan que el acero se enfríe sin tocar la nariz de la curva TTT o
curva de la “S”.
Teniendo en cuenta esta consideración, se puede advertir que la zona de temperaturas
en la que el acero se debe enfriar rápidamente es la región cercana a la nariz de la
curva (800°C – 500°C). Por ello, la velocidad de enfriamiento que se suele emplear
para caracterizar el ciclo de enfriamiento durante la soldadura se encuentra
justamente en este rango de temperaturas.
Pero aquí es importante hacer la siguiente observación: la templabilidad y la
soldabilidad son conceptos antagónicos. Mientas que, por un lado, una buena
templabilidad es ideal para alcanzar las mejores propiedades mecánicas de un
elemento de acero, por otro lado, esa misma buena templabilidad contribuirá a
generar enormes dolores de cabeza al momento de soldar dicho acero. Un acero
altamente templable tiene una elevada tendencia a alcanzar transformación
martensítica por acción de un enfriamiento rápido. Este mismo acero al ser soldado
puede formar martensita en la ZAC durante el enfriamiento y provocar con ello la
fragilidad del cordón y el riesgo a la fisuración en frío.
Este principio metalúrgico para las uniones soldadas lo podemos enunciar de una
manera lado más general: “La unión soldada no debe admitir la presencia de
constituyentes frágiles en su microestructura”.
35
Uno de esos constituyentes tremendamente frágiles es justamente la martensita. Sin
embargo, existen otros microconstituyentes (o combinaciones de ellos) que
proporcionan un comportamiento frágil a la unión soldada y que, por lo tanto,
también deben evitarse. El común denominador de todos ellos, además de fragilizar
la unión, es que se forman como consecuencia de enfriamientos rápidos desde la
temperatura de austenización. Por tanto, en términos generales, los aceros al carbono
y de baja aleación deben ser soldados de acuerdo a un procedimiento que no
provoque elevadas velocidades de enfriamiento después de la soldadura. Las
condiciones específicas que permitan conseguir este objetivo dependerán del tipo de
acero, el espesor de la plancha, el procedimiento de soldadura y el calor de aporte
empelado.
A continuación, se analizará algunas ecuaciones que permitan estimar la velocidad
de enfriamiento en cada punto de una unión soldada.
Velocidad de enfriamiento para espesores gruesos y delgados.
Los cálculos y comparaciones de las velocidades de enfriamiento requieren una
cuidadosa especificación de las condiciones en que se producen. Como se vio en el
tema anterior, indicar solamente “velocidad de enfriamiento” de una soldadura no es
adecuado, debido a que la velocidad de enfriamiento varía con la temperatura. El
método más útil es determinar la velocidad de enfriamiento en el momento en que el
metal está a una temperatura determinada de interés, Tc. A temperaturas por debajo
de la de fusión, la velocidad de enfriamiento en la soldadura y en su ZAC inmediata
es substancialmente independiente de la posición.
En los aceros al carbono y de baja aleación, la temperatura de interés está en las
proximidades de la “nariz” perlítica de acuerdo al diagrama Tiempo-Temperatura-
36
Transformación (diagrama TTT). La temperatura exacta no es crítica pero debe ser la
misma para todos los cálculos y comparaciones. Un valor de Tc=550°C es suficiente
para la mayoría de aceros.
El uso práctico más importante de la ecuación de la velocidad de enfriamiento es el
cálculo de los requisitos de precalentamiento, Por ejemplo, cuando los espesores son
relativamente gruesa y se necesitan varias pasadas (más de seis para completar la
unión), la velocidad de enfriamiento, R, viene dada por:
Donde:
R = Velocidad de enfriamiento en un punto sobre el eje central de la soldadura
(°C/seg), en el momento justo en que el punto se está enfriando a la temperatura de
interés Tc.
k = Conductividad térmica del metal (J/mm x seg x °C)
Sin embargo, la velocidad de enfriamiento en las proximidades de la zona fundida es
sólo un pequeño porcentaje menor que al del eje central de la soldadura.
Consiguientemente, la ecuación de la velocidad de enfriamiento se aplica a toda la
soldadura y a la región inmediata de la ZAC (ver figura 11).
Si los espesores son relativamente delgados, requiriendo menos de cuatro pasadas, la
fórmula es:
37
Figura 11: Ecuaciones de las velocidades de enfriamiento para chapas delgadas y
gruesas.
FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 106.
De las ecuaciones anteriores, se debe definir cuando se trata de espesores gruesos y
cuando de delgados, por lo que la siguiente ecuación permitirá definir en qué caso se
está trabajando, la ecuación del cálculo de espesor relativo es:
Cuando: r > 0.9, espesor grueso
r < 0.9, espesor delgado
Soldabilidad
De todo lo expuesto anteriormente se llega a la conclusión, que la variable
fundamental a efectos de la calidad de la unión es el aporte térmico aplicado durante
38
el proceso de soldadura y depende de la tensión (V) e intensidad (I), velocidad y
rendimiento térmico de soldeo.
El término de rendimiento térmico aparece como consecuencia de que, el calor
generado por la fuente de energía no es utilizado en su totalidad para realizar la
soldadura, parte se pierde durante el proceso de soldeo en calentar el aire, gases
circundantes y productos fundentes. En conclusión, cuanto mayor sea el rendimiento
mayor será el aporte térmico para un determinado proceso.
De la combinación de estas variables surge el término ENA (Energía Neta Aportada)
y cuya expresión es:
Donde:
ρ: Rendimiento o eficiencia del proceso.
V: Voltaje de la Fuente.
I: Intensidad de la Fuente.
v : Velocidad de Soldeo.
El ENA va a controlar las velocidades de calentamiento y enfriamiento y el tamaño
del baño fundido, así como el tamaño de grano en la zona afectada por el calor y en
el baño fundido. En general cuanto mayor es el valor de la energía neta aportada,
menor será la velocidad de enfriamiento y mayor la extensión del baño fundido y al
zona ZAC.
39
Otras dos variables importantes que surgen como consecuencia de la ENA son:
Precalentamiento: El precalentamiento solo se realiza en materiales que presentan
problemas de soldabilidad y que de no aplicarse podrían dar lugar a agrietamiento en
las soldaduras. También se realizaría un precalentamiento cuando no se pudiesen
conseguir las temperaturas de soldeo adecuadas por la gran conductividad térmica
del material. Los objetivos que se buscan con el precalentamiento son, reducir la
velocidad de enfriamiento de las piezas y, disminuir perdidas de calor en materiales
muy conductores de calor.
Tratamiento Térmico Post Soldadura: Los objetivos que se pretenden con los
tratamientos térmicos post soldadura son, reducir el nivel de tensiones residuales que
se hayan producido durante el proceso de soldeo, y mejorar alguna propiedad o
característica del cordón de soldadura o de la ZAC que haya podido quedar afectada
durante el ciclo térmico de soldadura. Es en éste último punto donde crece la
importancia de conocer la respuesta del material al someterlo a un ciclo térmico y su
respuesta a un tratamiento de envejecimiento.
La ejecución de una soldadura además provoca, como consecuencia del gradiente
térmico originado, un estado tensional durante el proceso de soldeo (tensiones
térmicas) y una vez concluido éste y enfriada la pieza (tensiones residuales). Estas
tensiones son autoequilibradas y de magnitud suficiente como para poder tener
influencia sobre la propiedades mecánicas de la unión. En soldaduras que se lleva a
cabo con material de aporte, la naturaleza de éstos últimos será fundamental a la hora
de determinar las propiedades mecánicas de la unión soldada.
40
Fundamentalmente, las propiedades van a ser influidas por el tamaño y la
distribución de las fases precipitadas durante el proceso de soldadura. Cuanto más
finos sean los granos y las fases precipitadas, mayores serán los valores de
resistencia de tracción.
2.5. Carbono Equivalente (CE)
Como el carbono es el elemento que más influye en la templabilidad y en la dureza
final de un acero, se ha considerado conveniente denominar “carbono equivalente” a
índice que permite correlacionar la composición química de un acero con su
tendencia a presentar estructuras frágiles cuando éste es sometido a un proceso de
soldadura. El CE de un acero es una medida de su tendencia potencial a fisurarse
durante o después de la soldadura.
Existen diferentes fórmulas establecidas para determinar el valor del carbono
equivalente de los diferentes materiales de acero al carbono, los cuales presentan
ciertas condiciones para su aplicación y uso.
2.6. Zona Afectada por el Calor (ZAC)
Una vez realizado el proceso de soldadura por fusión se distinguen tres (03) zonas
metalúrgicas diferentes en la unión, que tendrán unas u otras dimensiones en función
de los aportes térmicos y procesos de solidificación.
• Cordón de soldadura o baño fundido: Es la zona formada por el metal base y el
metal de aportación que han sido fundidos.
41
• Zona Afectada por el Calor (ZAC): Zona adyacente al cordón de soldadura que se
calienta en gran medida y se ve afectada por el calor, pero no se funde. Esta zona
sufre cambios metalúrgicos y cambios en sus características mecánicas.
• Metal Base que no ha sufrido transformación alguna durante el proceso de
soldadura.
La Zona Afectada por el Calor (ZAC) se define como la parte del metal base que no
ha fundido durante la soldadura pero cuyas propiedades mecánicas o su
microestructura han sido alteradas por el calor, tal como se muestra en la figura 12.
Figura 12: Zona Afectada por el Calor (ZAC)
FUENTE: Introducción a los procesos de soldadura - Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Bilbao,
pag. 15.
2.6.1. Concepto de Dilución en Soldaduras por Fusión
Dilución: Se define como el porcentaje de la unión soldada que corresponde al metal
base.
42
Dilución en Soldadura a Tope
Figura 13: Diagrama de dilución en el cordón de soldadura
FUENTE: Introducción a los procesos de soldadura - Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Bilbao,
pag. 16.
Dilución en Soldaduras con Preparación de Bordes
Figura 14: Composición de la dilución en el cordón de soldadura.
FUENTE: Introducción a los procesos de soldadura - Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Bilbao,
pag. 16.
Valores típicos de la dilución que pueden alcanzarse en distintos casos
Estos valores se muestran en la tabla 2.
43
Tabla 2. Valores típicos de la dilución que pueden alcanzarse en distintos casos.
Espesor (mm) Preparación de bordes Dilución (%)
3 A tope 65 - 10010 A tope, pasada única 85 - 9010 A tope, 2 pasadas 75 - 8010 En V, pasada única 55 - 60
cualquiera Cordón ortogonal 30 - 40
FUENTE: Introducción a los procesos de soldadura - Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Bilbao,
pag. 16.
2.7. Ensayos Destructivos (Ensayos Mecánicos)
Los ensayos mecánicos son una serie de pruebas efectuadas cobre los materiales para
determinar sus propiedades mecánicas. En todo ensayo se utilizan probetas. Una
probeta es una muestra de dimensiones y formas normalizadas del material objetivo
de ensayo sobre la que se realiza dicho ensayo.
Las aplicaciones de los metales, y las operaciones de conformación a que pueden
verse sometidos, son extremadamente variadas. Se han desarrollado, por tanto,
numerosos ensayos mecánicos encaminados a medir propiedades diferentes con
vistas a disponer, en cada caso, del ensayo o ensayos que mejor caractericen a un
material para una utilización concreta.
2.7.1. Ensayo de Tracción
En el ensayo de tracción se somete una probeta del material en estudio, de forma,
sección y longitud normalizadas, a una fuerza de tracción, en la dirección del eje de
la probeta, que cree lenta y gradualmente hasta su rotura.
44
A medida que aumenta la fuerza aplicada, la probeta se alarga, es decir la probeta
sufre una deformación.
Con este ensayo se puede determinar una serie de propiedades:
Propiedades Resistentes
A. Límite Elástico
El valor de la tensión al que corresponde la máxima deformación exclusivamente
elástica se denomina límite elástico.
B. La tensión de rotura
Es la máxima tensión que aguanta el material antes de romper.
Propiedades Dúctiles
A. Alargamiento
Indica el cambio de longitud que experimenta la probeta. Se expresa como un
porcentaje de la longitud de la probeta.
Si un material sufre un alargamiento de valor elevado se dice que su comportamiento
ha sido dúctil. Si por el contrario, la rotura se produce sin que el material se alargue
su comportamiento se considera frágil.
2.7.2. Ensayo de Dureza
La dureza de un metal es la resistencia que opone a ser penetrado superficialmente
por otros cuerpos.
45
El ensayo de dureza consiste en comprimir un penetrador, de forma y dimensiones
fijas, contra la superficie preparada de la pieza que se ensaya, se le aplica una
precarga menor de 10 kg, básicamente para eliminar la deformación elástica y
obtener un resultado mucho más preciso. Luego se le aplica durante unos 15
segundos un esfuerzo que varía desde 60 a 150 kg a compresión. Se desaplica la
carga y mediante un durómetro Rockwell se obtiene el valor de la dureza
directamente en la pantalla, el cual varía de forma proporcional con el tipo de
material que se utilice.
Figura 15: Ensayo de Dureza Rockwell
FUENTE: Google – Ingefix.cl/catálogo/anclajes químicos_Relación entre grados de dureza y
resistencia a la tracción
Se mide, después, alguna dimensión de la huella y se expresa numéricamente la
dureza como función de esa dimensión.
Existen diversos ensayos de dureza que difieren en la forma y material del
penetrador. Los más utilizados son:
Dureza Brinell, utiliza un penetrador consistente en una bola de acero. Se designa
como HB.
46
Dureza Vickers, emplea como penetrador una pirámide de diamante de base
cuadrada. Se designa por HV.
Dureza Rockwell, se utiliza un penetrador cónico de diamante o un penetrador
esférico de acero. Se expresa con las iniciales HRC si el penetrador es un cono de
diamante o HRB si es una bola de acero.
2.7.3. Ensayo de Resiliencia
El ensayo se efectúa con el péndulo Charpy utilizando probetas de sección cuadrada
que poseen una entalla, generalmente en V.
La resiliencia es la energía de impacto, es decir, la energía consumida para romper
una probeta mediante impacto. Se mide en Julios (J) o en Kg/m.
La resiliencia de un material depende de la temperatura, los materiales poseen menor
resiliencia cuanto menor es su temperatura.
2.7.4. Ensayo de Doblado
Los ensayos de doblado (plegado) se realizan sometiendo la probeta a flexión, hasta
doblarla con una determinada curvatura, de forma que su cara exterior quede
sometida a fuertes tensiones de tracción.
Dependiendo de la norma aplicable puede exigirse un determinado ángulo de
doblado sin que aparezcan grietas o, más frecuentemente, un doblado a 180° (caras
paralelas) sin que las grietas superen un determinado tamaño.
Se trata de un ensayo muy exigente que permite medir la ductilidad del material en la
zona estirada. Suele aplicarse para valorar la capacidad de deformación, o para
47
detectar posibles anomalías en una zona, por ejemplo, donde se haya realizado una
soldadura.
2.8. Ensayos No Destructivos (END)
Los ensayos no destructivos son métodos de inspección que se realiza al cordón de
soldadura con el objetivo de la búsqueda y exploración de imperfecciones tanto en el
interior como en la superficie del cordón. En la industria metalmecánica, para la
inspección, se utilizan 05 métodos de inspección conocidos: Inspección Visual,
Inspección con Líquidos Penetrantes, Inspección con Partículas Magnéticas,
Inspección por Ultrasonido Industrial e Inspección por Gammagrafía Industrial.
2.9. Especificación del Procedimiento de Soldadura (WPS)
La especificación del Procedimiento de Soldadura es un documento físico en el que
se registran las variables del proceso (tipo y dimensiones de material base a soldar y
material de aporte a emplear, posición de soldeo, número de pasadas, diseño de
junta) así como variables operativas (valores de amperaje y voltaje a emplear,
velocidad de soldeo y diámetro de electrodos a emplear en cada pase se soldadura).
2.10. Revisión de los procesos de soldadura utilizados en la industria
El proceso de soldadura es un proceso físico-químico en la cual se unen dos
materiales metálicos con características similares (parecidas propiedades físicas y
químicas: soldabilidad) a través del aporte de energía proporcionado por una fuente
externa.
Existen diferentes procesos de soldadura dentro de las cuales podemos citar:
48
1. Soldadura por Presión: Una forma de lograr el contacto íntimo de dos superficies
metálicas para la producción de una soldadura, es someter las mismas a una presión
recíproca. Si ésta es de magnitud adecuada, será capaz de romper las capas de óxido
y humedad y deformar la superficie, logrando así el contacto necesario. Este proceso
puede o no ser asistido por energía térmica, pero debe tenerse en cuenta que, cuando
así ocurra, la temperatura del proceso debe mantenerse por debajo del punto de
fusión de los materiales que intervienen. El principal efecto del uso de energía
térmica es el de reducir la tensión de fluencia de los materiales que se sueldan, así
como disociar los óxidos
2. Soldadura por Fusión: Para lograr la unión de materiales es utilizando energía
térmica para fundir localmente los metales que se deseen unir y, de esta manera,
lograr la eliminación de las capas mencionadas y el íntimo contacto de las piezas por
la fusión y solidificación de los materiales en contacto.
En la figura 16 se muestra un esquema en la cual se clasifican los procesos de
soldadura por Fusión y por Presión.
Figura 16 Clasificación General de los proceso de soldadura
Fuente: Manual de Soldadura OERLIKON pag. 23
49
2.10.1. Soldadura por Fusión con Arco Eléctrico
Es un proceso de soldadura, donde la unión es producida por el calor generado por
un arco eléctrico, con o sin aplicación de un metal de aporte.
La energía eléctrica se transforma en energía térmica, pudiendo llegar esta energía
hasta una temperatura aprox. 4000°C. La energía eléctrica es el flujo de electrones a
través de un circuito cerrado. Cuando ocurre una pequeña ruptura dentro de cualquier
parte, o apertura el circuito, los electrones se mueven a gran velocidad y saltan a
través del espacio libre entre los dos terminales, produciendo una chispa eléctrica,
con la suficiente presión o voltaje para hacer fluir los electrones continuamente. A
través de esta apertura, se forma el arco eléctrico, fundiéndose el metal a medida que
se avanza. El arco eléctrico es por lo tanto, un flujo continuo de electrones a través
de un medio gaseoso, que genera luz y calor.
Figura 17: Diagrama del circuito de soldadura por arco eléctrico.
Fuente: Manual de Soldadura OERLIKON pág. 25
50
2.10.1.1. Soldadura por Arco Eléctrico manual con electrodo metálico revestido
Este tipo de soldadura es un proceso de unión por fusión de piezas metálicas, en la
cual para lograr la unión, se concentra el calor de un arco eléctrico establecido entre
los bordes de las piezas a soldar y una varilla metálica, llamada electrodo,
produciéndose una zona de fusión que, al solidificarse, forma la unión permanente.
El equipo de soldeo consta de:
Figura 18: Partes del Circuito de Soldadura por Arco Eléctrico
Fuente: Manual de Soldadura pág. 25
1. Generador de Corriente (Fuente de Poder)
2. Cables de Conexión
3. Porta-Electrodo
4. Masa o Tierra
5. Electrodo
6. Pieza de Trabajo
2.10.1.2. Principio de Funcionamiento de la soldadura por arco eléctrico
El circuito se cierra momentáneamente, tocando con la punta del electrodo a la pieza
de trabajo, y retirándola inmediatamente a una altura establecida, formándose de esta
manera un arco. El calor funde un área restringida del material base y la punta del
electrodo, formando pequeños glóbulos metálicos, cubiertos de escoria líquida, los
51
cuales son transferidos al metal base por fuerzas electromagnéticas, con el resultado
de la fusión de dos metales y su solidificación a medida que el arco avanza, según se
muestra en la figura 19.
Figura 19: Diagrama del proceso de fusión durante el proceso de soldadura.
Fuente: Manual de Soldadura OERLIKON pág. 25
El proceso de soldadura por fusión por arco eléctrico con electrodo metálico
revestido genera una gran emisión de calor y luz, los cuales muchas veces son
perjudiciales para la persona produciendo muchas veces quemaduras, ligeras lesiones
a la piel y dolores temporales a los ojos, si es que no se protege debidamente.
Además de esto al emitir gran cantidad de calor al medio ambiente la eficiencia
térmica del proceso es relativamente baja en comparación con los demás
proceso de soldeo.
2.10.1.3. Nociones de Electricidad con relación al arco eléctrico
Para comprender mejor la aplicación del arco eléctrico a la soldadura, es necesario
conocer ciertos principios fundamentales relacionados con la electricidad.
52
a) Circuito Eléctrico: La corriente eléctrica en un flujo de electrones que circula por
un conductor en circuito cerrado, denominado circuito eléctrico.
b) El circuito de soldadura por arco eléctrico: La corriente fluye a partir del borne de
la máquina de soldar, donde se fija el cable del electrodo (1), y termina en el borne
de la máquina, donde se fija el cable de tierra o de trabajo (2).
Figura 20: Flujo eléctrico durante el proceso de soldeo.
Fuente: Manual de Soldadura OERLIKON pág. 26
Como puede observarse en la Figura 20, a partir del punto (1) la corriente fluye al
porta-electrodo y por éste al electrodo; por el extremo del electrodo salta la
electricidad a la pieza formando el arco eléctrico; sigue fluyendo la electricidad por
el metal base al cable de tierra (2) y vuelve a la máquina.
El circuito está establecido sólo cuando el arco se encuentra encendido.
c) Voltaje y Amperaje
La característica de la fuente de alimentación es la representación gráfica de la
relación que existe en todo momento entre la tensión (voltaje) y la intensidad de
corriente (amperaje) de la fuente. La corriente y el voltaje reales obtenidos en el
53
proceso de soldeo vienen determinados por la intersección de las curvas
características de la máquina y del arco, y son las variables principales de establecer
la calidad del cordón de soldadura.
d) Clases de Corriente Eléctrica
Corriente Alterna (CA): El flujo de corriente varía de una dirección a la opuesta.
Este cambio de dirección se efectúa 100 a 120 veces por segundo. El tiempo
comprendido entre los cambios de dirección positiva o negativa se conoce con los
nombres de ciclo o período (50 a 60 ciclos).
Por lo general se utiliza la corriente alterna de 220 voltios y 60 ciclos. Esta corriente
es transportada por redes eléctricas monofásicas que utilizan 2 cables, o bien es
conducida por redes eléctricas trifásicas, que utilizan 3 cables de transportación.
Las máquinas de soldar pueden utilizar tanto la corriente monofásica como la
trifásica.
Corriente continua (CC): El flujo de corriente conserva siempre una misma
dirección: del polo negativo al positivo.
e) Polaridad: En la corriente continua es importante saber la dirección del flujo de
corriente. La dirección del flujo de corriente en el circuito de soldadura es expresada
en término de polaridad. si el cable del porta-electrodo es conectado al polo negativo
(-) de la fuente de poder y el cable de tierra al polo positivo (+), el circuito es
denominado polaridad directa o normal.
Cuando el cable del porta-electrodo es conectado al polo positivo (+) de la fuente de
poder y el cable de tierra al polo negativo, el circuito es denominado polaridad
invertida o indirecta.
54
F
Figura 21: Tipos de polaridad para el proceso de soldadura.
Fuente: Manual de Soldadura OERLIKON pág. 26
En algunas máquinas no es necesario cambiar los cables en los bornes, porque
poseen una manija o llave de conmutación que permite cambiar de polaridad con
facilidad.
En una máquina de corriente alterna no es posible diferenciar los cables por sus
conexiones de grapa y porta electrodo porque la electricidad fluye por ellos
alternando su sentido o dirección.
Generalmente, el electrodo conectado al polo positivo (polaridad invertida) permite
una mayor penetración y el electrodo conectado al negativo (polaridad directa) da
una mayor velocidad de fusión. Sin embargo, los componentes químicos del
revestimiento del electrodo pueden hacer variar los efectos de la polaridad y, por
ello, es conveniente seguir las instrucciones del fabricante para conectar el electrodo
correctamente, ya sea al polo positivo o negativo.
Cuando se suelda con un electrodo, debe usarse siempre la polaridad correcta para
obtener los resultados satisfactorios que se esperan: buena penetración, aspecto
uniforme del cordón, excelente resistencia de la junta soldada.
55
Figura 21: Efectos de la polaridad y el tipo de la corriente.
Fuente: Manual de Soldadura OERLIKON pág. 27
f) Fenómenos del arco eléctrico para soldar: En los polos del arco, el voltaje varía
según la longitud de éste. Al rozar el electrodo con la pieza, el voltaje es cero y va
aumentando a medida que la longitud del arco se hace mayor, hasta que -por alejarse
demasiado el electrodo- el arco se interrumpe y la máquina vuelve a su “voltaje en
vacío”, que es siempre más elevado que el voltaje de trabajo.
La intensidad de corriente o amperaje necesario para fundir el electrodo y, por lo
tanto, la pieza a soldar debe elevarse a medida que aumenta el diámetro del electrodo
utilizado. La regulación o aumento del amperaje la hace el soldador.
Como se ha visto, durante el proceso de soldadura el metal base es expuesto a altas
temperaturas llegando incluso hasta su temperatura de fusión en la cual las moléculas
de los materiales interactúan formando nuevas estructuras cristalinas y por ende
generando variaciones en las propiedades físicas de los materiales.
56
III. ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS
MATERIALES DURANTE EL PROCESO DE SOLDADURA
MANUAL POR ARCO ELÉCTRICO CON ELECTRODO
REVESTIDO
Como se ha estudiado, durante el proceso de soldadura los materiales base sufren
alteraciones en la geometría, distribución y tamaño de sus granos, los cuales generan
variaciones en sus propiedades mecánicas que repercuten en el comportamiento final
del elemento en servicio.
A continuación se desarrollará una evaluación del comportamiento del material de
una tubería de acero al carbono de 8” de diámetro cédula 40 de material API 5L GR
X42 soldada mediante proceso SMAW (Soldadura manual por arco eléctrico con
electrodo revestido) con el electrodo E6010 para el pase raíz y E7010 para los demás
pases de soldadura.
3.1. Datos Generales
3.1.1. Ubicación del proceso
El trabajo consiste en la reparación del Oleoducto de 8” que transporta Petróleo
Crudo desde la Base Capahuari Sur hasta la Estación Gathering en el Lote 1AB de
Andoas, en el cual se realizará el reemplazo de cierto tramo de tubería que presenta
corrosión localizada y que se encuentra fuera de los valores permitidos y establecidos
por el área de PGID (Programa de Gerenciamiento e Integridad de Ductos) de la
empresa.
En la figura 3.1 de la página 62 se muestra la ubicación geográfica del trabajo de
reparación del oleoducto.
57
Figura 22: Esquema de ubicación geográfica de zona de trabajo.
FUENTE: Diagrama de Flujo – Layout General Capahuari Sur Lote 1AB – Andoas, Loreto, Perú. Plano N° FM-P2-152.1
58
Por éste motivo se deberá realizar la construcción del tramo de tubería a reemplazar
teniendo en cuenta la siguiente información:
Tubería de 8” de diámetro cédula 40 (espesor de pared 8.18 mm).
Material de Tubería: API 5L Grado X42
Norma de Construcción: Standard API 1104 Edición 2013 – Soldadura de
Tuberías e Instalaciones Relacionadas.
3.1.2. Desarrollo de la Actividad
Según el requerimiento de la Norma de Construcción API STD 1104 – 2013 el
constructor deberá realizar el soldeo de la tubería utilizando para esto un
Procedimiento de Soldadura Calificado, para lo cual deberá preparar una probeta
(tubería del mismo material) y realizar el soldeo teniendo en cuenta la regulación de
los parámetros de soldadura I (Corriente) y V (Voltaje) que permitan asegurar la
saneidad del cordón de soldadura.
Un Procedimiento de Soldadura es un documento escrito en el cual se establece
todos los parámetros de soldadura necesarios para poder realizar una correcta y
adecuada unión entre materiales semejantes.
Debido a consideraciones de facilidades y principalmente consideraciones de costos
se decidió utilizar el proceso de soldadura SMAW (soldadura manual por arco
eléctrico con electrodo revestido) para el soldeo de las tuberías, por lo que la
calificación del procedimiento de soldadura se realizará utilizando éste método de
soldeo.
59
3.1.3. Consideraciones para la Calificación del Procedimiento de Soldadura
Para el proceso de calificación del Procedimiento de Soldadura se tendrá en cuenta la
siguiente información:
Material Base: Tubería de acero sin costura longitudinal (SMLS) de 8” de diámetro
cédula 40 de material API 5L Grado X42.
Material de Aporte: E6010 (para el pase raíz) y E7010-A1 (para los demás pases de
soldadura)
Proceso de soldadura: SMAW
3.2. Soldadura Manual por Arco Eléctrico con Electrodo Revestido (SMAW)
La soldadura manual por arco eléctrico con electrodo revestido, conocido como
proceso SMAW, tiene como base la generación del arco eléctrico producido entre el
elemento a soldar y un electrodo metálico recubierto. El recubrimiento protege el
interior del electrodo hasta el momento de la fusión. Con el calor del arco, el extremo
del electrodo se funde y se quema el recubrimiento, de modo que se obtiene la
atmósfera adecuada para que se produzca la transferencia de metal fundido desde el
núcleo del electrodo hasta el baño de fusión en el material base.
Elementos del proceso de soldadura SMAW.
Plasma: Está compuesto por electrones que transportan la corriente y que van del
polo negativo al positivo, de iones metálicos que van del polo positivo al negativo,
de átomos gaseosos que se van ionizando y estabilizándose conforme pierden o
ganan electrones, y de productos de la fusión tales como vapores que ayudarán a la
formación de una atmósfera protectora. Esta misma alcanza la mayor temperatura del
proceso.
60
Llama: Es la zona que envuelve al plasma y presenta menor temperatura que éste,
formada por átomos que se disocian y recombinan desprendiendo calor por la
combustión del revestimiento del electrodo. Otorga al arco eléctrico su forma cónica.
Baño de fusión: La acción calorífica del arco provoca la fusión del material, donde
parte de éste se mezcla con el material de aportación del electrodo, provocando la
soldadura de las piezas una vez solidificado.
Cráter: Surco producido por el calentamiento del metal. Su forma y profundidad
vendrán dadas por el poder de penetración del electrodo.
Cordón de soldadura: Está constituido por el metal base y el material de aportación
del electrodo y se pueden diferenciar dos partes: la escoria, compuesta por impurezas
que son segregadas durante la solidificación y que posteriormente son eliminadas, y
sobre el espesor, formado por la parte útil del material de aportación y parte del
metal base, la soldadura en sí.
Electrodo: Son varillas metálicas preparadas para servir como polo del circuito; en
su extremo se genera el arco eléctrico. En algunos casos, sirven también como
material fundente. Los electrodos están compuestos de dos piezas: el alma y el
revestimiento. El alma o varilla es un alambre (de diámetro original 5,5 mm) que se
comercializa en rollos continuos. Tras obtener el material, el fabricante lo decapa
mecánicamente (a fin de eliminar el óxido y aumentar la pureza) y posteriormente lo
trefila para reducir su diámetro. El revestimiento se produce mediante la
combinación de una gran variedad de elementos (minerales varios, celulosa, mármol,
61
aleaciones, etc.) convenientemente seleccionados y probados por los fabricantes, que
mantienen el proceso, cantidades y dosificaciones en riguroso secreto.
La composición y clasificación de cada tipo de electrodo está regulada por AWS
(American Welding Society), organismo de referencia mundial en el ámbito de la
soldadura.
3.3. Características del proceso SMAW
Dentro de las características que se presentan en el proceso de soldadura SMAW se
pueden citar:
El metal de aportación y los medios para su protección durante el soldeo proceden
del propio electrodo revestido. No es necesaria protección adicional mediante gases
auxiliares o fundentes granulares.
Es menos sensible al viento y a las corrientes de aire que los procesos por arco con
protección gaseosa. No obstante el proceso debe emplearse siempre protegido del
viento, lluvia y nieve.
Se pueden emplear en cualquier posición, en locales abiertos y en locales cerrados,
incluso con restricciones de espacio. No requiere conducciones de agua de
refrigeración, ni tubería o botella de gases de protección, por lo que puede emplearse
en lugares relativamente alejados de la fuente de energía.
Es aplicable en gran variedad de espesores, en general mayores de 2 mm.
No es aplicable a metales de bajo punto de fusión como plomo, estaño, cinc y sus
aleaciones, debido a que el intenso calor del arco es excesivo para ellos.
62
3.4. Clasificación de los electrodos según norma AWS
Los electrodos utilizados para el soldeo de las tuberías de 8” SCH 40 son los
siguientes:
Nombre Común: CELLOCORD 70-T (Para el pase caliente, relleno, acabado)
Clasificación: E7010 – A1
Especificación: AWS A5.5
Diámetro: 4.0 mm
Nombre Común: CELLOCORD P-T (Para el pase raíz)
Clasificación: E6010
Especificación: AWS A5.1
Diámetro: 3.25 mm
3.5. Clasificación de los materiales según norma API
3.5.1. Análisis del Material Base
Las tuberías de este tipo de material presentan una resistencia mecánica de 415 MPa
y son utilizados principalmente para el transporte de hidrocarburo líquido y gaseoso.
En el anexo 1 se muestra la tabla de procesos aceptables de manufactura y niveles de
especificación de las tuberías que se utilizaran para el desarrollo del proyecto.
Composición Química de la tubería
Según la Especificación API 5L la composición química del material varía según el
proceso de manufactura, por lo que nos muestra en la Tabla 4 y 5 las diferentes
63
composiciones que puede tener cada material para cada proceso de manufactura, para
nuestro caso se comprimirá solamente al material API 5L Grado X42.
En el anexo 2, se muestra la composición química de la tubería que se utilizará en el
proyecto, el mismo que se encuentra especificado en el código API 5L.
Propiedades Mecánicas
Propiedades de Tracción de la tubería
Las propiedades de tracción que debe cumplir la tubería que se utilizará en el
proyecto se encuentra especificado en el anexo 3.
Antes de iniciar cualquier trabajo se debe inspeccionar primero el material base a fin
de detectar imperfecciones (discontinuidades) en la superficie los que puedan generar
fallas durante la operación. Las principales discontinuidades superficiales que se
pueden encontrar en las tuberías se muestran a continuación.
Tabla 3: Discontinuidades superficiales en tuberpias API.
Discontinuidad Criterio de Aceptación
Presencia de Fisuras No AceptableGolpes de Arco No AceptableSocavación, para tuberías con costura Aceptable hasta una longitud < 0.5t
LaminacionesAceptable hasta una longitud < 6.4 mm (en la dirección circunferencial)
Desviaciones geométricas (cilindricidad) Aceptable hasta una desviación < 3.2 mmOtras discontinuidades Aceptable cuando la profundidad < 0.125tt: espesor de la pared de la tubería.
DISCONTINUDADES SUPERFICIALES EN TUBERÍAS API
FUENTE: Código Estándar API Especificación 5L.
64
Las tolerancias indicadas en el cuadro (criterios de aceptación) se indican en la
Especificación API 5L, por lo que deben ser cumplidas para el aseguramiento de la
calidad.
3.5.2. Análisis de los materiales de aporte
Electrodo E 6010
El electrodo E6010 es un electrodo revestido alto contenido de celulosa, diseñado
para proporcionar un arco uniforme y estable con suficiente fuerza para lograr una
penetración profunda dentro del metal base. Este electrodo muestra una gran
eficiencia de deposición y poca perdida por salpicadura. Produce un charco de
soldadura que se humedece y distribuye bien, mientras que se fija con suficiente
rapidez para hacer que este electrodo sea ideal para técnicas de soldadura vertical
hacia arriba o hacia abajo. Los electrodos E6010 producen un cordón plano de
soldadura con ondulaciones gruesas y una escoria delgada de fácil remoción. Los
electrodos E6010 pueden utilizarse en posiciones planas, horizontales, verticales o
elevadas.
Aplicaciones Típicas
Los electrodos E6010 se utilizan más comúnmente para las soldaduras fuera de
posición tales como en la construcción en el campo, los astilleros, torres de agua,
recipientes a presión, tuberías a presión, piezas de acero fundido, tanques simples de
almacenaje y de acero galvanizado, etc.
En el anexo 4 se muestra la composición química y propiedades mecánicas del
electrodo E6010 que será utilizado en el proyecto.
65
Tamaños Disponibles y Corrientes Recomendadas
En la tabla 4 se muestran los tamaños disponibles y corrientes recomendadas del
electrodo E6010 que será utilizado en el desarrollo del proyecto.
Tabla 4: Tamaños Disponibles y Corrientes recomendadas para electrodos.
Diám. (pulg.) 3/32 1/8 5/32 3/16 7/32 1/4Longitud (pulg.) 14 14 14 14 14 14Amperaje (A) 60-85 80-120 110-160 150-200 160-210 190-240Voltaje (V) 50-70 70-110 110-150 130-170 130-190 --
FUENTE: Google_Información de Electrodos
Electrodo E7010-A1
El electrodo E7010-A1 es un electrodo con alto contenido de celulosa desarrollado
específicamente para soldar líneas de tuberías. Aunque este electrodo puede
utilizarse en cualquier posición, se presta mejor para la soldadura vertical hacia
arriba o hacia abajo. El electrodo E7010-A1 rinde un arco fuerte con penetración
profunda, produciendo un charco de soldadura que se humedece y se distribuye bien,
con una solidificación rápida. Los depósitos de soldadura son de calidad de rayos X,
con resistencias a la tensión de 70,000 libras por pulgada cuadrada que contienen
1/2% Mo. Los electrodos E7010-A1 pueden utilizarse con corriente alterna o directa
(polaridad invertida).
Se recomienda un precalentamiento de 300-575°F al soldar aceros con carbono-
molibdeno. La temperatura exacta de precalentamiento dependerá de las
características del espesor y endurecido de la pieza de trabajo.
66
Aplicaciones Típicas
Los electrodos E7010-A1 se utilizan comúnmente para soldar tuberías de carbono-
molibdeno para servicio al vapor con presiones y temperaturas altas y formas, placas
y piezas estructurales fundidas con un contenido de 1/2% de Mo.
En el anexo 5 se muestra la composición química y propiedades mecánicas del
electrodo E6010 que será utilizado en el proyecto.
3.6. Cálculo de CE y Soldabilidad del material utilizado
Para el cálculo del carbono equivalente (CE), existe un gran número de expresiones
diferentes, de las cuales, teniendo en cuenta el rango de aplicación, se tomará en
cuenta la fórmula del IIW (Instituto Internacional de Soldadura).
En base a la composición química del acero al carbono API 5L grado X42, tomada
del Estándar API 5L, se determinarán los valores:
Composición química del acero al carbono API 5L Grado X42.
%C=0.28; Mn=1.3; P=0.03; S=0.03, V=0.0015; Nb=0.0015; Ti=0.0015.
Se obtiene:
( )%497.0=CE
67
En base a las experiencias establecidas por diferentes autores relacionados con el
tema, podemos hacer una clasificación algo genérica de la soldabilidad de los aceros
en función de su CE, según el siguiente cuadro:
Carbono Equivalente Grado de soldabilidad
CE < 0.2 – 0.3% Buena soldabilidad
CE > 0.4% Presenta riesgo de fisuración en frio en la ZAC
En base a lo indicado líneas arriba, se puede deducir que, debido a que CE > 0.4%, el
acero presenta un riesgo a la fisuración en frio en la ZAC (mala soldabilidad).
Debido a los resultados obtenidos, resulta importante estimar cual será el valor de la
dureza en la zona ZAC, a fin de evaluar las medidas preventivas a considerar durante
el proceso de soldadura, debido a que la fisuración en frio se ve influenciada
directamente por la presencia de estructuras martensíticas en el acero y aparecen días
después del proceso de soldeo.
3.7. Cálculo de la Dureza de la ZAC
La dureza en la Zona Afectada por el Calor (ZAC) se ve afectada directamente por la
aparición de estructuras martensíticas en la estructura ferrítica del acero al carbono,
esto debido al proceso de transformación de los granos de ferrita ante un
enfriamiento rápido del material.
68
De lo indicado en el párrafo anterior, podemos concluir que para el cálculo de la
dureza, es necesario primero determinar el tiempo de enfriamiento.
3.7.1. Cálculo del tiempo de enfriamiento, t8/5
El t8/5 es el tiempo de enfriamiento de una curva en el intervalo entre 800º y 500ºC.
Conociendo además, que es justamente la velocidad en este rango de temperaturas la
que define la posibilidad de tener microestructuras martensíticas o, en general,
microestructuras frágiles en el acero a temperatura ambiente.
La secuencia de cálculo del t8/5 se establece a continuación:
Cálculo de espesor de plancha crítico, tc
- Hnet, depende de los valores de la corriente (A), voltaje (V) y velocidad de soldeo
(mm/seg) obtenidos en el proceso de soldadura, datos obtenidos de campo; y
eficiencia del proceso, SMAW = 75%.
Los datos regulares que se obtienen en campo son:
V = 30v, I = 130A, υ = 5 mm/seg
De donde, usando la siguiente fórmula:
75.0513030 xxH net =
69
cmJ
mmJH net 5850585 ==
- T0, consideramos temperatura inicial: 30°C (selva, clima tropical).
- Densidad (ρ), 7.85 g/cm3 y calor específico (c), 0.48 J/g°C.
- De donde:
mmcmtc 3.1663.1 ==
Teniendo en cuenta el valor de tc obtenido, y conociendo el valor de espesor de
pared t = 8.18 mm, podemos indicar que se trata de un espesor de pared delgado,
debido a que el espesor de pared t < tc.
Por lo que se estimará el tiempo de enfriamiento t8/5 utilizando la siguiente fórmula:
2
2
0
2
02
2
8001
50011
415/8 F
TTtHnet
ckt
−
−
−
=ρπ
- Conductividad térmica del acero, k = 0.53 J/s.cm.°C.
- Factor de junta, F2 = 1.0 (valor que depende del tipo de junta)
De donde, t8/5 = 1.87 seg.
3.7.2. Cálculo de Dureza
Usando el método de Suzuki, según formula siguiente:
70
Donde:
CM
CMK
CM
K
PCYPCa
PCKKCH
Kaa
77.7603.028805532566
11571633237287884
/
5 +−−=−+=−+=−+=
=
BVMoCrNiCuMnSiCPCM 510152060202030
++++++++=
Reemplazando los valores, se obtiene:
PCM = 0.345
Y5 = 0.97065
aK = 1121.36
K = 295.075
H = 239.445
a = 3.8
Por lo que se obtiene: HV = 515.0
Ahora, se calcula los límites de la dureza utilizando el método de Düren, donde:
305802 +== CHVHV M (100% martensita)
101305 +== BB CEHVHV (0% martensita)
Donde: 361759811VMoNiCrCuMnSiCCEB +++++++=
Reemplazando los valores, obtenemos:
71
CEB = 0.4425
HVM = 529.56 (Dureza 100% martensita)
HVB = 235.96 (Dureza 0% martensita)
De donde podemos observar que el valor estimado de la dureza en la ZAC, después
del proceso de soldadura, se encuentra cercano al valor de la máxima dureza (cuando
existen 100% estructuras martensíticas en el acero), y es debido a que la dureza
máxima que se puede obtener en la ZAC es cuando toda la estructura es martensítica.
De la ecuación propuesta por Suzuki, podemos observar que la única variable que
puede modificar el valor de HV es el t8/5, por lo que estimamos diferentes valores
para ver su tendencia:
Figura 23: Comportamiento de la Dureza del material variando el valor de t8/5.
FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura, Carlos Fosca – PUCP
De donde se concluye que, mientras mayor sea el valor de t8/5, menor será la dureza
de la ZAC y por ende menor será la formación de estructuras martensíticas.
72
Como recomendación general para las construcciones soldadas, se procura que el
tiempo de enfriamiento entre 800º y 500ºC (t8/5) debe encontrarse dentro del
siguiente rango: 10 seg < t8/5 < 25 seg
El valor de la temperatura de enfriamiento, t8/5, depende entre otras cosas de la
temperatura inicial del material, T0, por lo que resultaría muy necesario precalentar el
elemento antes de soldar.
3.8. Determinación de la Temperatura de Precalentamiento.
Para determinar el calor de la temperatura de precalentamiento es necesario definir el
método a emplear teniendo en cuenta los rangos de aplicación, para éste caso
emplearemos el método de CET, debido a que toma en cuenta la templabilidad
(grado de endurecimiento) como criterio de susceptibilidad a la fisuración en frío,
criterio que justamente lo determinamos como crítico al estimar un alto valor de
dureza en la ZAC.
Método del CET
Reemplazando los datos inicialmente indicados, se obtiene:
CET = 0.41
Hneto = 5.85 KJ/cm
HD = 10
73
t = 8.18 mm
Ahora, para el cálculo de la Temperatura Mínima de precalentamiento, se utilizará la
siguiente relación:
330)3253(62)35(160700)( 35.0 −−+++=° netHCETHDtTanhCETCTp
Reemplazando los valores obtenidos:
33085.5)3241.053(1062)3518.8(16041.0700)( 35.0 −−+++=° xxxTanhxCTp
De donde obtenemos: Tp = 73.37°C
A partir de este valor de Temperatura Inicial (T = 75ºC) se volverá a determinar el
valor de tc, t8/5 y HV con las fórmulas anteriormente indicadas.
Para T0 = 75ºC
De la fórmula del punto 3.7.1., obtenemos que tc = 17 mm.
A partir de este valor, obtenemos que el nuevo t8/5 resulta un valor de 7.4 seg.,
mucho mayor que el 1.87 obtenido anteriormente.
Y finalmente, obtenemos un nuevo valor de la dureza de 415.0, valor mucho menor
al 515 obtenido anteriormente, lo que demuestra explícitamente la función e
importancia del precalentamiento de los elementos antes de soldar.
3.9. Determinación de la Velocidad de Enfriamiento (VCT)
Teniendo en cuenta, para el espesor de pared utilizado, utilizaremos la siguiente
ecuación para determinar la velocidad de enfriamiento.
74
Obtenemos: R = 131°C/seg, el cual evidentemente representa un valor muy elevado
debido a que dicho cálculo es puntual (a un valor de Tc = 550°C), por lo que a
continuación se muestra la variación de la temperatura final de la tubería a través del
tiempo (obtenido a partir de los valores de velocidad de enfriamiento).
Figura 24: Variación de la Temperatura de la tubería con el tiempo de enfriamiento.
FUENTE: Introducción a la Mtelurgia de la Soldadura, Carlos Fosca – PUCP
3.10. Análisis de variables de soldeo que modifican las propiedades mecánicas de los
elementos soldados.
Como hemos visto en los temas anteriores, existen diversas variables de soldeo que
repercuten en el comportamiento final y en las propiedades mecánicas finales del
material soldado, veremos los mas resaltantes.
75
Velocidad de Soldeo (υ)
La velocidad de soldeo modifica la Hneto según cálculo desarrolado en el punto 3.7.1,
por ende modifica el valor de la temperatura de enfriamiento, t8/5, alterando el valor
de la dureza final de la ZAC del elemento soldado.
Figura 25: Variación de la Dureza con la velocidad de soldeo.
FUENTE : Introducción a la Mtelurgia de la Soldadura, Carlos Fosca – PUCP
Temperatura inicial del elemento, antes del soldeo (T0)
La temperatura inicial de la tubería repercute principalmente en la velocidad de
enfriamiento final y en el valor de la dureza en la ZAC al final del soldeo.
En las figuras 26 y 27 se muestran las variaciones de la temperatura de enfriamiento
y la dureza en referencia a la temperatura de precalentamiento.
76
Figura 26: Variación de la Temperatura de Enfriamiento con la Temperatura de
precalentamiento.
FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Sodadura, Carlos Fosca - PUCP
Figura 27: Variación de la dureza con la temperatura de precalentamiento
FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura, Carlos Fosca - PUCP
77
3.11. Estimación de la ZAC para el soldeo de tuberías por el proceso SMAW
Para la estimación del ancho de la ZAC (Zona Afectada por el Calor) durante el
proceso de soldadura de tuberías por el proceso SMAW se utilizará la ecuación
indicada en el punto 2.4.4.
Los valores a reemplazar son.
Tmáx = 723°C (considerada como la temperatura de transformación del acero)
T0 = 40°C (temperatura promedio en el Lote 1AB – Andoas, Loreto)
ρ.C = 0.0044 J/mm3°C (calor específico volumétrico del acero)
Hneto = 585 J/mm (valor obtenido del cálculo 3.7.1)
Tfusión = 1510°C (temperatura de fusión del acero al carbono)
Reemplazando los valores en la ecuación.
4015101
58518.80044.013,4
407231
−+=
−xYxx
Se obtiene: Y = 3 mm
Esto quiere decir que, la zona ZAC del proceso de soldeo de las tuberías de 10” SCH
40 es de 3 cm, área en la cual se pueden presentar posibles problemas de fisuración
en frío, si no se tienen los cuidados necesarios indicados en los puntos anteriormente
78
indicados; además que en esta región se presenta una composición química diferente
al del material base inicial, lo que conlleva a tener propiedades mecánicas diferentes.
3.12. Ensayos Mecánicos a probetas soldadas por el proceso SMAW
Para la construcción, cambio y/o reparación de ductos que transportan Hidrocarburo
se debe cumplir con los lineamientos establecidos en el DS 081-2004-EM
Reglamento de Transporte de Hidrocarburo por Ductos, que en el artículo 47 del
Anexo 1 establece que: “Antes de realizar cualquier actividad de soldadura de las
tuberías del Sistema de Transporte, se deberá realizar la calificación del
procedimiento de soldadura y la calificación de soldadores”, los mismos que se rigen
en el Código API 1104.
Según el código API 1104 para realizar la calificación del procedimiento de
soldadura y calificación de los soldadores se deben realizar probetas de calificación,
las mismas que simularán los parámetros de soldeo que se emplearán en el trabajo
(principalmente valores de amperaje, voltaje, progresión de soldeo, posición de
soldadura y electrodo a usar).
Una vez realizado las probetas soldadas para calificación, éstas deberán ser
aprobadas mediante la técnica de inspección visual, realizado por un inspector de
soldadura calificado en la técnica visual mínimo como Nivel II, según los
requerimientos del código SNT-TC-1A, y mediante ensayos destructivos.
Los ensayos destructivos que deberán ser realizados a las probetas ensayadas están
establecidos en el código API 1104 de la siguiente manera.
79
Para Calificación de Procedimiento de Soldadura:
Ensayo de Tracción (Ver Anexo 1 y 2)
Ensayo de Dobles
Ensayo de Nick Break
Para Calificación de Soldadores (Ver Anexo 3)
Ensayo de Tracción
Ensayo de Dobles
Ensayo de Nick Break
3.13. Abreviaturas
ZAC: Zona Afectada por el Calor
PQR: Registro de Calificación de Procedimiento
WPS: Especificación del Procedimiento de soldadura
WPQ: Registro de Calificación de Soldador
SMAW: Soldadura manual por arco eléctrico con electrodo revestido
API: Instituto Americano de Petróleo
DS: Decreto Supremo
3.14. Impacto Ambiental
Los trabajos de cambio de tuberías en el Oleoducto de 8” que transporta Petróleo
Crudo desde la Base Capahuari Sur hasta la Estación Gathering en el Lote 1AB de
Andoas son desarrollados en medio de la selva, donde viven diversas especies de la
flora y fauna del Perú, las mismas que deben ser respetadas y conservadas para
asegurar su supervivencia y evitar su extinción.
80
Como parte del programa de prevención y conservación del medio ambiente se
considera muy importante el cumplimiento de las normativas vigentes y prácticas
recomendadas establecidas por la empresa para la ejecución del trabajo de cambio de
tubería, ya que es de vital importancia asegurar la saneidad del cordón de soldadura
para garantizar el normal funcionamiento del oleoducto y evitar eventos que puedan
causar grandes impactos negativos al medio ambiente producto de derrames de
petróleo.
Un proceso de soldadura adecuado y el empleo de personal calificado darán como
resultado un cordón de soldadura adecuado, el mismo que, ante esfuerzos externos
(flexión del ducto por deslizamiento de terreno, golpes en el cordón de soldadura
producto de caída de árboles, etc.) tendría poca probabilidad de fallar y evitar un
derrame de petróleo.
Dentro del programa de aseguramiento de la integridad del ducto se ha establecido de
manera obligatoria realizar una prueba de hermeticidad del tramo nuevo que se
colocará, a fin de validar la resistencia tanto del material (tubería) como del cordón
de soldadura, exponiéndolos a éstos a presiones por encima de la presión de
operación, esto respaldado según DS 081-2007-EM y norma internacional ASME
B31.4:2009.
81
IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1. Conclusiones
1. El proceso de soldadura es un proceso físico de unión de materiales por el aporte de
calor que genera una alteración en sus propiedades mecánicas, he allí la importancia
de controlar la cantidad de calor aportado.
2. Observando la figura 24 de la página 74, se puede concluir que la velocidad de
enfriamiento del material después de la soldadura es una función exponencial
negativa, observándo un alto gradiente de temperatura al inicio y un enfriamiento
muy lento mientras pasa el tiempo.
3. Para la tubería de 10” de diámetro y espesor 8.18 mm se tiene que el tamaño de la
ZAC es de 3mm (según punto 3.11 de la página 68), zona en la cual se observan las
variaciones de las propiedades mecánicas.
4. La velocidad de soldeo modifica la Hneto según cálculo desarrollado en el punto 3.7.1.
de la página 68, por ende modifica el valor de la temperatura de enfriamiento, t8/5,
alterando el valor de la dureza final de la ZAC del elemento soldado, según cálculo
desarrollado en el punto 3.7.2. de la página 69.
5. De la figura 25 de la página 75 se concluye que la velocidad de soldeo de las tuberìas
a soldar debe ser baja para evitar una elevada dureza de la ZAC final.
6. De la figura 23 de la página 71 se concluye que, mientras mayor sea el valor de t8/5,
menor será la dureza de la ZAC y por ende menor será la formación de estructuras
martensíticas.
82
7. Para realizar el soldeo de las tuberías de 10” de espesor 8.18 mm en el lote 1AB, se
debe realizar un precalentamiento inicial de la tubería a una temperatura mínima de
75°C, con el objetivo de minimizar la presencia de estructuras martensíticas que se
producirían por un enfriamiento rápido, además de lograra incrementar la
soldabilidad del acero. Además con el precalentamiento se logra eliminar toda
presencia de partículas de agua (humedad) que pueden existir suspendidas en la
atmósfera, y que puedan ingresar al proceso de soldeo y posteriormente producir
porosidades en el cordón de soldadura.
8. Para realizar cualquier trabajo de construcción, reparación o cambio de tuberías en
un ducto de transporte de hidrocarburo debemos cumplir con los requerimientos del
Reglamento de Transporte de Hidrocarburo en Ductos DS 081-2004-EM.
9. Para realizar todo trabajo de soldeo de tuberías, previamente debe haber una revisión
de toda las consideraciones técnicas a cumplir, dentro las cuales se incluyen a la
calificación del procedimiento de soldadura a emplear, calificación del o de los
soldadores que realizarán el soldeo, selección correcta del electrodo a utilizar,
verificación de los parámetros del equipo de soldeo, dotación adecuada de los
equipos de protección personal y todas las consideraciones de seguridad en el lugar
de trabajo.
10. Para el proceso de calificación de procedimiento de soldadura y calificación de
soldadores, debe tenerse en consideración que se debe utilizar los mismos materiales
e insumos que serán empleados durante el soldeo durante la construcción, esto con el
objetivo de simular las mismas condiciones de trabajo y garantizar una correcta
aplicación del proceso.
83
4.2. Recomendaciones
1. Antes de realizar una unión de materiales mediante soldadura, se debe realizar una
calificación del procedimiento y calificación del soldador los cuales garanticen la
saneidad del cordón de soldadura.
2. Como práctica recomendada se recomienda siempre realizar controles y
aseguramientos de calidad antes de realizar el proceso de soldadura, a fin de validar
los trabajos que se desarrollen.
3. Es recomendable que al finalizar el procedo de soldadura se debe aislar el cordón de
soldadura con una manta aislante a fin de disminuir la alta velocidad de enfriamiento
que se inicia justo después del soldeo.
4. Siempre es recomendable utilizar un material de aporte con similares propiedades
físicas y composición química que el material base.
5. Para minimizar los cambios bruscos de temperatura luego de que se haya concluido
el proceso de soldadura, es recomendable realizar un post-calentamiento con soplete
alrededor del cordón de soldadura, con el objetivo de minimizar al gradiente de
temperatura que se origina con la tubería alrededor; luego de ello, se recomienda
cubrir con una manta térmica el área soldada a fin de disminuir el gradiente de
temperatura con la atmósfera.
6. Luego de realizar el soldeo de las tuberías, se debe realizar la inspección visual del
cordón soldado y evaluarlo mediante técnicas de inspección mediante ensayos no
destructivos, los cuales están establecidos en el código ASME/ANSI B31.4 para
tuberías que transportan hidrocarburo líquido. Estos ensayos deben ser del tipo
84
volumétrico a fin de poder verificar la saneidad del cordón de soldadura en el
interior, este tipo de ensayos pueden ser mediante la emisión de placas radiográficas
o mediante la emisión de ondas ultrasónicas.
85
V. BIBLIOGRAFÍA
1. Hernández Riesco, Germán – Manual del Soldador.
2. OERLIKON – Manual de Soldadura.
3. Pontificia Universidad Católica del Perú – Introducción a la Metalurgia de la
Soldadura.
4. ASME Sección IX Edición 2010: “Código Internacional de Calderas y Recipientes a
Presión – Calificación de soldadura”
5. Norma ANSI/ASME B31.4 Edición 2009: “Sistema de Tubería para el Transporte de
hidrocarburos líquidos y otros líquidos”.
6. Código Estándar API 1104 Edición 2010: “Soldadura de Tuberías e Instalaciones
Relacionadas”.
7. Código Estándar API Especificación 5L Edición 2012: “Especificación para línea de
tubería”.
8. Decreto Supremo 081 Edición 2007 – EM: “Reglamento para el Transporte de
Hidrocarburo por Ductos”.
86
VI. ANEXOS
ANEXO – 1: Características del Material Según Código Estándar API
Especificación 5L – 2012, según el Proceso de Manufactura de la Tubería
FUENTE: Código Estándar API Especificación 5L, pág. 28.
87
ANEXO – 2: Composición química del material utilizado.
C Mn S V Nb Ti
máx. máx. min. máx. máx. máx. máx. máx.
Seamless pipe 0.28 1.3 - 0.03 0.03 < 0.0015 < 0.0015 < 0.0015
Welded pipe 0.26 1.3 - 0.03 0.03 < 0.0015 < 0.0015 < 0.0015
C Mn S V Nb Ti
máx. máx. min. máx. máx. máx. máx. máx.
Seamless pipe 0.24 0.4 1.2 0.025 0.015 0.06 0.05 0.04
Welded pipe 0.22 0.45 1.3 0.025 0.015 0.05 0.05 0.04
GRADO DE MATERIAL API 5L GRADO X42 - PSL 1 (%fracción en peso)
GRADO DE MATERIAL API 5L GRADO X42 - PSL 2 (%fracción en peso)
Porceso de Manufactura
P
Porceso de Manufactura
P
FUENTE: Código Estándar API Especificación 5L, pág. 34, 35.
ANEXO – 3: Propidades de tracción del material.
min. máx. min. máx.PSL 1 290 (42 100) - 415 (60 200) -
PSL 2 290 (42 100) 495 (71 800) 415 (60 200) 760 (110 200)
GRADO DE MATERIAL: API 5L GRADO X42
Yield Strength Tensile StrengthMpa (psi)Mpa (psi)Tipo de Tubería
FUENTE: Código Estándar API Especificación 5L, pág. 37, 38.
88
ANEXO – 4: Composición Química y Propiedades Mecánicas del electrodo E6010.
FUENTE: Certificado de Calidad, SOLDEXA
89
ANEXO – 5: Composición Química y Propiedades Mecánicas del electrodo E7010.
FUENTE: Certificado de Calidad, SOLDEXA
90
ANEXO – 6: Resultado de Ensayo de Tracción de probeta soldada.
Fuente: Laboratorio de Materiales – PUCP
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ANEXO – 7: Curva Esfuerzo – Deformación de probeta soldada.
Fuente: Laboratorio de Materiales – PUCP
92
ANEXO – 8: Resultado de ensayo para calificación de soldadores
Fuente: Reporte de Ensayos Mecánicos – Facultad de Ingeniería Mecánica – UNI
93
ANEXO – 9: Registro de Calificación de Procedimiento (PQR)
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95
ANEXO – 10: Especificación de Procedimiento de Soldadura (WPS)
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ANEXO – 11: Registro de Calificación de Soldador (WPQ)
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ANEXO – 12: Certificado de Calidad Cellocord P-T E6010
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ANEXO – 13: Certificado de Calidad Cellocord 70-T E7010
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