articulo calif de proced de sold ap b api 1104 ed 2005-v1

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“Calificación De Procedimiento De Soldadura Para La Colocación De Envolventes Metálicas En Ductos En

Operación”

Juan Alfredo Ramírez Jiménez 1, Abraham López Montenegro

2, Carlos A. Tecum Arrazola

3, Felipe

de J. López Guerra4

[1]

Instituto Mexicano del Petróleo Proceso de Tecnología de Materiales, Prolongación Periférico1502esquina campo giraldas, Col. José Ma. Pino Suárez Villahermosa Tabasco C.P. 86029 [email protected]

[2] Coordinación de

Mantenimiento a Ductos PEP, Centro Técnico Administrativo Av. Campo Sitio Grande No.2000 Fraccionamiento Carrizal Villahermosa Tab. C.P. 86030, México.

[3] Coordinación de Mantenimiento a Ductos Sector TDH Samaria,

[4] Inspección TDH Sector Samaria.

Resumen: Se realizo el análisis de las variables esenciales para la calificación de

tres procedimientos de soldadura de acuerdo con lo indicado en el apéndice B del API

Standard 1104 twentieth Edition, November 2005 Welding Of Pipelines And Related

Facilities, en placas de acero grado tubería API 5L, con soldaduras realizadas mediante

proceso de Soldadura por Arco Eléctrico y Electrodo Recubierto (SMAW), la calificación

de los procedimientos considera la simulación de flujo.

Los procedimientos fueron calificados mediante pruebas mecánicas de: sanidad (nick

break), doblez y macroataque, presentando condiciones importantes durante la

aplicación de cada uno de los pasos de soldadura tanto de filete como de ranura.

El presente estudio involucra el análisis de los resultados de las pruebas realizadas

para la calificación del procedimiento, el cumplimiento y registro de las variables

esenciales especificadas por el Standard API 1104 [1], así como la relación directa con

cada una de las variables esenciales, a fin de establecer los aspectos mas relevantes

que permitan en campo asegurar la reproducibilidad de soldaduras sanas para la

colocación de envolventes metálicas en ductos en operación, de acuerdo al

procedimiento de soldadura calificado.

1. Introducción La industria petrolera nacional cuenta con un basto sistema troncal de ductos de

transporte de hidrocarburos líquidos y gaseosos, muchos de ellos expuestos a medios

amargos y no amargos con una vida de servicio superior a los 20 años, lo que ha

puesto de manifiesto la presencia de diferentes tipos de discontinuidades generadas tal

como agrietamiento inducido por hidrógeno (AIH) [2], así como por diferentes

mecanismos de corrosión, dando lugar a grandes inversiones en el mantenimiento

mailto:[email protected]

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preventivo y correctivo de los mismos y a la pérdida de instalaciones y equipos como

consecuencia de fallas producidas por la presencia de corrosión.

Mediante la utilización de técnicas de inspección con equipos instrumentados de

inspección interna (EIII) [3] en ductos de transporte de hidrocarburos líquidos y

gaseosos, que viajan en el interior del ducto, ha sido posible revelar la presencia de

una gran cantidad de pérdidas de material en la pared de los ductos tanto internas

como externas.

Actualmente se realizan trabajos de evaluación de áreas corroídas en campo en las

ubicaciones técnicas reportadas por los EIII, lo que ha permitido detectar un sin número

de casos de perdida de material en el metal base, estos trabajos han revelado también

aspectos de gran importancia, como son la ocurrencia de áreas corroídas en

soldaduras y la zona afectada por el calor (ZAC) [4], dando lugar a un análisis particular

de éstas mediante métodos de simulación por elementos finitos (MEF) así como

software especializado para su evaluación correspondiente.

Una vez que sea realizado la evaluación y análisis de las discontinuidades presentes

en los ductos, es importante identificar el método de reparación más conveniente,

dando lugar en muchos de los casos a la reparación mediante la colocación de

envolventes metálicas, las cuales involucran la aplicación de soldadura durante su

instalación estando el ducto en servicio, lo que conlleva a la consideración de un

trabajo de alto riesgo y al análisis de las condiciones de servicio, de los materiales,

equipo, procedimiento de soldadura y soldadores calificados, que participaran en los

trabajos de reparación mediante la colocación de las envolventes, como se observa en

las figuras 1 y 2.

El objetivo del presente estudio es determinar la importancia de la calificación del

procedimiento de soldadura para la colocación de envolventes metálicas en sistemas

de tubería en servicio, como método de reparación definitiva de indicaciones tipificadas

como corrosión externa y corrosión interna, una vez que éstas han sido evaluadas por

métodos como: el descrito en ANSI ASME B31 G [5] y la norma NRF-030-PEMEX-

2003 [6].

Por otra parte las discontinuidades tipificadas como pérdida de material producidas por

daños mecánicos y pérdida de redondez por aplicación de cargas externas y defectos

en soldaduras, también son factibles de repararse mediante la colocación de las

envolventes metálicas, de ahí la importancia de hacer un particular análisis de las

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variables esenciales de soldadura que intervienen, así como su interpretación de

acuerdo a lo descrito en el apéndice B del estándar API 1104 [1] (APPENDIX B—IN-

SERVICE WELDING).

En muchas ocasiones, debido a necesidades de operación, es imprescindible realizar

soldaduras en tuberías que están en funcionamiento con presión y flujo interior, ya que

el realizar un corte en las mismas supone dejar sin servicios durante horas / días a los

usuarios correspondientes lo cual resulta imposible en la mayoría de los casos. Por lo

que es necesario llevar a cabo los trabajos de mantenimiento preventivo mediante el

uso de ―soldadura en servicio‖, y se utiliza tanto en reparación como en extensión de

líneas de gas o petróleo existentes [7].

La soldadura en servicio es una parte esencial del ―Hot Tapping‖, una técnica que

permite colocar una derivación en la tubería principal. También es importante para el

mantenimiento de la tubería ya que es aplicada cuando se colocan encamisados

(encirclement sleeve) alrededor de la sección que ha sufrido perdida de espesor por

corrosión o por daño local permitiendo extender la vida útil de la misma. Existen dos

factores principales que hacen por demás difícil la soldadura de tuberías en servicio:

Primero el flujo interno crea una mayor pérdida de calor a través del espesor de

la tubería, resultando en un enfriamiento acelerado de la región afectada por el

ciclo térmico de soldadura. Una tubería con mayor carbono equivalente es más

sensible a la velocidad de enfriamiento, lo cuál incrementa la dureza y

posibilidades de fisuras en la ZAC.

El segundo factor está vinculado con el calentamiento localizado en la tubería

que produce pérdida de resistencia mecánica del material durante el proceso de

soldadura. Si la disminución de resistencia es elevada (lo que puede originarse

por una elevada penetración de la soldadura) la presión interna del fluido puede

producir que la tubería falle durante aplicación de la soldadura.

Estos factores están estrechamente vinculados debido a que los enfriamientos rápidos

en el metal base pueden ser compensados por un incremento en el aporte térmico,

pero esto puede promover mayor penetración en la soldadura y posible perforación. Es

por ello que se deberán establecer procedimientos de soldadura adecuados que

permitan un balance de modo tal que la dureza en la ZAC no sea tan elevada como

para producir fisuras en el espesor de pared de la tubería, logrando un adecuado nivel

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en la introducción de calor y penetración que permita mantener la integridad del

espesor de pared de la tubería.

Un factor adicional en el análisis de las condiciones de aplicación de soldadura en

servicio, esta relacionado con la metalurgia para la fabricación de aceros, la aplicación

de soldadura mediante arco eléctrico, puede ser realizada sobre tubería de acero

existentes, con composiciones químicas que generan un mayor carbono equivalente y

por lo tanto mayor riego a fisuración o en aceros microaleados de fabricación reciente

para tuberías que permiten lograr materiales con elevados valores de esfuerzo de

cedencia y una reducción en los espesores lo cual implicaría un mayor riesgo de

perforar la tubería durante la aplicación de la soldadura.

Figura 1 Colocación de envolvente metálica. Figura 2 Aplicación de soldadura en envolvente metálica

2. Desarrollo Experimental

En el presente trabajo se realizó la calificación de tres procedimientos de soldadura con

simulación de flujo, en tubería de acero al carbono de baja aleación, considerando el

ensamble sugerido por el apéndice B del API 1104 con la posición para la calificación

de procedimiento de soldadura en todas posiciones, con un ángulo de inclinación de

45° como se muestra en la figura 3.

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Figura 3 Ensamble de prueba sugerido para la calificación de procedimiento de soldadura y soldador.

Las pruebas se desarrollaron a temperatura ambiente en una locación acondicionada

para evitar las corrientes de aire que pudieran influir en el detrimento de la calidad de la

soldadura durante su aplicación como se observa en las figura 4 y 5.

Figura 4 Figura 5

Área de realización de pruebas de soldadura

Toda vez que la situación actual durante el mantenimiento preventivo de ductos, y en

particular en los casos de pérdida de material en el metal base, ZAC y soldaduras

circunferenciales de campo la colocación de envolventes metálicas en servicio se ha

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convertido por demás una practica frecuente, de ahí la importancia de contar con

procedimientos de soldadura calificados que permitan garantizar la reproducibilidad de

soldaduras sanas, con las propiedades mecánicas y químicas, acordes a los materiales

en donde serán instaladas, cuidando en todo momento el cumplimiento de cada una de

las variables esenciales, las cuales dependerán en gran medida del soldador que

realice la soldaduras.

Este tipo de soldaduras se utiliza como refuerzo en la tubería principal cuando existe

disminución de espesor por corrosión o alguna otra discontinuidad que permita su

reparación con esta técnica. Los códigos permiten utilizar dos mitades de tuberías para

realizar la camisa y en algunos casos las soldaduras de filete circunferenciales son

opcionales. Este tipo de encamisado generalmente tiene asociada una soldadura

longitudinal horizontal y soldaduras de filete circunferenciales. La soldadura

longitudinal, consiste en una junta a tope con bisel entre 10° y 30º. La posición del

electrodo generalmente es horizontal. Esta soldadura se realiza evitando el contacto

con el tubo principal colocando un respaldo metálico en la raíz, que generalmente es un

acero de muy bajo carbono. Para esta soldadura es normal que se utilicen dos

soldadores en forma simultánea. La figura 6 corresponde al caso más genérico de este

tipo de soldadura. Las soldaduras circunferenciales suelen ser optativas de acuerdo a

requisitos de diseño.

Figura 6 Identificación de bisel para soldadura a tope en posición horizontal.

Bisel

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Es importante mencionar dos aspectos sumamente importantes durante la realización

de soldaduras en servicio:

Primero es evitar en todo momento la perforación del ducto durante la aplicación

del la soldadura lo que se le conoce como ―burning through‖

Segundo es la posibilidad de presentarse el agrietamiento por hidrogeno de las

soldaduras hechas (ver figura 7), derivado de una velocidad de enfriamiento

acelerada como resultado de la habilidad del fluido para remover el calor del

espesor de pared de la tubería.

Figura 7 Identificación de sitios potenciales de grietas en una soldadura de filete.

De acuerdo con API RP 2201 [8] la soldadura con fluido circulando se puede realizar

con seguridad y en condiciones controladas en materiales de espesores menores de

6.4 mm el procedimiento de soldadura deberá de considerar el primer paso de

soldadura con electrodo de 2.4 mm de diámetro o menor a fin de limitar los niveles de

introducción de calor (heat input), sin embargo el uso de bajos niveles de introducción

de calor puede incrementar el riego de agrietamiento en materiales con un elevado

porcentaje de carbono equivalente, en los subsecuentes pasos de soldadura pondrán

usarse electrodos de 3.2 mm de diámetro o menor si el espesor de pared de la tubería

no excede 12.7 mm de espesor.

Para ductos con espesor de tubería mayores a 12.7 mm, la perforación mediante ―burn

through‖ no es un preocupación principal, electrodos de mayor diámetro pueden ser

usados, sin embargo en donde la perforación mediante ―burn through‖ es factible de

presentarse, especial cuidado deberá tenerse durante el uso de la corriente de

soldadura, por lo que en muchas ocasiones el uso de electrodos de bajo hidrógeno es

preferible para reducir la posibilidad de perforación del espesor de pared.

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2.1 Tipos de envolventes metálicas soldables [9]

Las envolventes metálicas son ampliamente utilizadas para la reparación de ductos, las

cuales se componen de dos medias cañas que son ensambladas alrededor de la

tubería que contiene la discontinuidad y son soldadas entre si teniendo diferentes

variaciones como se describen a continuación:

Tipo A - no considera soldadura con el ducto ( refuerzo únicamente )

Tipo B – considera soldadura con el ducto ( contenedor de presión )

·Envolvente Aislante ( contenedor de presión )

En la tabla 1 se describen las ventajas y desventajas de cada una de las envolventes

metálicas descritas anteriormente, y particularmente para el presente trabajo se

utilizaron las envolventes tipo B.

Tabla 1 Ventajas y desventajas de envolventes metálicas

Envolvente Ventajas Desventajas

Tipo A

Probado en ductos en

servicio

No contiene la fuga, de ahí el no considerarla

apta para corrosión interna activa.

Permanente Requiere de soldadura, lo que se considera una

desventaja para su aplicación bajo el agua.

Sencilla Dificultad para inspeccionar las soldaduras.

Los contratistas están

familiarizados con la

aplicación de envolventes

metálicas soldadas, tanto

como han sido utilizadas en

los sistemas de ductos por

muchos años.

Proporcionara control en algunos defectos, pero

no previene que el defecto falle.

No proporciona refuerzo en dirección axial.

Tipo B

Puede contener la fuga Requiere de soldadura, lo que se considera una


Probado en ductos en

servicio Dificultad para inspeccionar las soldaduras.

Instalación definitiva Las soldaduras de filete finales son con

frecuencia fuente de discontinuidades.

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Tabla 1 Ventajas y desventajas de envolventes metálicas (continuación...)

Envolvente Ventajas Desventajas

Tipo B

Sencilla

Requiere de soldadura con el ducto, lo cual

puede dificultar su aplicación en espesores de

tubería delgados, o donde el fluido produce un

enfriamiento en el espesor de pared muy rápido.

Los contratistas están

familiarizados con la

aplicación de envolventes

metálicas soldadas, tanto

como han sido utilizadas en

los sistemas de ductos por

muchos años.

En el caso de fuga el fluido puede corroer el

material de la envolvente.

Limitado refuerzo en

dirección axial



Aislante

Puede ajustarse para curvas

etc...

Requiere de soldadura, lo que se considera una


Puede contener la fuga Dificultad para inspeccionar las soldaduras.

Instalación definitiva Las soldaduras de filete finales son con

frecuencia fuente de discontinuidades.

Sencilla Requiere de soldadura con el ducto, lo cual

puede dificultar su aplicación en espesores de

tubería delgados, o donde el fluido produce un

enfriamiento en el espesor de pared muy rápido.

Limitado refuerzo en

dirección axial

Requiere de numerosas soldaduras y complejo

proceso de fabricación.



En el caso de fuga el fluido puede corroer el

material de la envolvente.

2.2 Materiales utilizados

Los materiales utilizados en los ensambles de prueba para calificación de

procedimiento, corresponden a: envolventes de acero al carbono de baja aleación de

especificación ASTM A572 Grado 50 y espesor de 12.7 mm, tubería de especificación

ASTM A106 Grado B de diámetro 406.4 mm (16 pulgadas) y espesor de 12.7 mm, los

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electrodos de especificación AWS E6010 y AWS E7018 de 3.17 mm y 3.96 mm de

diámetro (0.125 pulgadas y 0.156 pulgadas). La composición química y propiedades

mecánicas se muestran en las tablas No. 1 y 2 respectivamente.

Tabla 2 Composición química (% en peso)

Material C Si Mn Ni Cr Mo Cu V P S CE

ASTM A572 Grado 50 0.18 0.24 0.99 0.11 0.15 0.01 0.29 0.029 0.011 0.001 0.41

ASTM A106 Grado B 0.17 0.29 0.67 0.04 0.05 0.02 0.12 0.0 0.027 0.009 0.31

Electrodo AWS E6010 0.12 0.25 0.44 0.01 0.01 0.01 n/r 0.00 0.011 0.004 0.20

Electrodo AWS E7018 0.04 0.41 1.12 0.02 0.03 0.01 n/r 0.00 0.014 0.007 0.24

Tabla 3 Propiedades Mecánicas

Material Cedencia

(Mpa)

Tensión

(Mpa)

Elongación

(%)

ASTM A572 Grado 50 400 570 19.1

ASTM A106 Grado B 360 480 38

Electrodo AWS E6010 393 496 29

Electrodo AWS E7018 430 530 31

La determinación del carbono equivalente (CE) esta dado de acuerdo con la ecuación

del Instituto Internacional de soldadura y se describe en la ecuación 1

CE IIW = %C + %Mn/6 + (%Cu + %Ni)/15 + (%Cr + %Mo + %V)/5. (1)

2.2 Preparación de envolvente de prueba

Se considero para la calificación del procedimiento de soldadura el ensamble mostrado

en la figura 3, con un flujo continuo durante la prueba de agua, a temperatura ambiente

(25°C), de acuerdo con lo descrito en la nota del apartado B.3.1 Soldadura de la Unión

de Prueba, del API 1104, la cual indica que: ―El llenado de la sección de prueba con

agua y permitiendo que ésta fluya a través de la sección de prueba durante la

aplicación de la soldadura, ha demostrado que se producen condiciones térmicas

equivalentes o más severas que las aplicaciones típicas de soldadura en sistemas de

ductos en servicio…otros medios como aceite de motor puede ser usado para simular

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condiciones térmicas menos severas‖. El ensamble de las envolventes de prueba se

muestran en las figuras 8 y 9.

Figura 7 Ensamble de envolvente metálica. Figura 8 Adaptación de sistema de flujo de agua.

2.3 Variables esenciales utilizadas

La secuencia de aplicación y características eléctricas empleadas para las soldaduras

de filete y a tope para las envolventes identificadas como: WPS 01, WPS 02 y WPS 03,

se muestran en las tablas 4, 5 y 6

Tabla 4 Secuencia de aplicación y características eléctricas, soldadura de filete WPS 01

Pasos De Soldadura

Proceso

Metal De Aporte

Corriente Polaridad Amps Volts Velocidad

Aplicación. (plg/min)

Tiempo Entre Pasos

(minutos) Clasif. AWS

Ø

Fondeo (Raíz )

SMAW E7018 0.125" Directa Invertida 90-100 30-35 2-3 5

Relleno (S)


Relleno (S)


Relleno (S)


Relleno (S)

SMAW E7018 0.125" Directa Invertida 100-130 26-35 2-3 N/A

Sistema de flujo

continúo de agua

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Tabla 5 Secuencia de aplicación y características eléctricas, soldadura a tope WPS 01

Pasos De Soldadura

Proceso

Metal De Aporte



Tiempo Entre Pasos


Ø

Fondeo (Raíz )


Relleno (S)


Relleno (S)


Relleno (S)


Relleno (S)



Pasos De Soldadura

Proceso

Metal De Aporte



Tiempo Entre Pasos


Ø

Fondeo (Raíz )


Relleno (S)


Relleno (S)


Relleno (S)


Relleno (S)



Pasos De Soldadura

Proceso

Metal De Aporte



Tiempo Entre Pasos


Ø

Fondeo (Raíz )


Relleno (S)


Relleno (S)


Relleno (S)


Relleno (S)


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Pasos De Soldadura

Proceso

Metal De Aporte



Tiempo Entre Pasos


Ø

Fondeo (Raíz )


Relleno (S)


Relleno (S)


Relleno (S)


Relleno (S)



Pasos De Soldadura

Proceso

Metal De Aporte



Tiempo Entre Pasos


Ø

Fondeo (Raíz )


Relleno (S)


Relleno (S)


Relleno (S)


Relleno (S)


2.3.1. Determinación de la introducción del calor

Con las variables utilizadas se determino la introducción de calor (J) para cada una de

las soldaduras de filete de las envolventes, para el primero y segundo paso de

soldadura de acuerdo con la siguiente ecuación:

J = I ✕ E X 60 / S (2)

Donde:

J = Joules por pulgada

I = Corriente en amperes proporcionada por el arco eléctrico

E = Potencial en volts (voltaje de arco)

S = Velocidad de aplicación de la soldadura (plg / min)

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La ecuación anterior determina el total de energía producida por el arco eléctrico y que

esta disponible por unidad de longitud de la soldadura, toda ves que un incremento en

el voltaje y el amperaje se incrementara la introducción de calor, mientras que un

incremento en la velocidad de aplicación lo disminuirá, el voltaje tiene un menor efecto

debido a que varia ligeramente con respecto a otros factores [10,11]

2.3.2. Determinación de propiedades mecánicas y sanidad.

Las soldaduras de filete y a tope de cada una de las envolventes se llevo a cabo de

conformidad con lo establecido en API 1104 tabla B-1 ―Tipo y número de muestras para

calificación de prueba de procedimiento de soldadura en servicio‖, para espesores

menores o igual a 12.7 mm, como se indica en la tabla 10.

Tabla 10 Número de muestras obtenidas de cada envolvente para la evaluación de sanidad y

propiedades mecánicas.

Envolvente No.

Tipo de soldadura

Tensión Sanidad

(Nick- break)

Doblez de raíz

Doblez de cara

Macro-ataque*

Total

WPS 01 A tope 2 2 2 2

16 Filete 4 4

WPS 02 A tope 2 2 2 2

16 Filete 4 4

WPS 03 A tope 2 2 2 2

16 Filete 4 4

* Nota se realizo medición de micro dureza en las muestras con macroataque en la ZAC del espesor de

pared de la tubería.

3. Análisis de Resultados

3.1 Carbono equivalente (CE).- El CE de cada uno de los materiales utilizados

se determino de acuerdo con la ecuación 1, tomando como referencia el porcentaje

máximo de 0.5 permitido para los aceros de especificación ASTM A106 [12], se observo

que todos los materiales están por debajo de este porcentaje, sin embargo el CE del

acero utilizado para las envolventes de especificación ASTM A572 [13], presento el valor

más alto, como se observa en la figura 9, esta condición no presento problemas de

soldabilidad durante la realización de las tres envolventes.

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Figura 9 Comparación del CE de los materiales utilizados.

3.2 Calor Introducido (J).- Las características eléctricas empleadas en cada

envolvente se cumplieron de acuerdo a lo indicado en las tablas de la 4 – 9, para el

calculo de el calor introducido (J) durante el arco eléctrico según lo especifica Linnert

[10], API RP 2201 [8] y conforme la ecuación 2, se realizo el calculo para el primero y

segundo paso de la soldadura de filete para cada uno de los casos se utilizo un

electrodo AWS E7018 de 3.17 mm de diámetro, los valores se muestran en la tabla 11.

Tabla 11 Calor introducido (J) en el primero y segundo pasos de las soldaduras de filete para cada una

de las envolventes.

Envolvente Paso Amp Volt S

(plg/min) J (J/plg) J (KJ/plg)

WPS 01 P-1 100 35 2 105000 105

P-2 120 30 2 108000 108

WPS 02 P-1 110 35 2 115500 115.5

P-2 125 30 2 112500 112.5

WPS 03 P-1 130 35 2 136500 136.5

P-2 130 35 2 136500 136.5

Los valores descritos en la tabla 11 se calcularon para la condición en la cual se podía

obtener una mayor J, esto es tomando los valores de mayor amperaje (I) y voltaje (E)

así como la menor velocidad de aplicación (S), la figura 10 muestra los valores de J

que podrían obtenerse para un electrodo de especificación SFA 5.1 [14] E7018

de 3.17 mm de diámetro con una corriente máxima I = 165 Amp y mínima de I = 115

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

ASTM A572 Grado 50 ASTM A106 Grado B E7018 E6010

Materiales utilizados

% C

E (

carb

on

o e

qu

ivale

nte

)

A 106 2002O.5 % CE Max. De acuerdo a especificación ASTM:

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Amp y voltaje E = 35 Volt y S= 2 pulg / min, lo que permite observar que los valores de

J para el primero y segundo pasos aplicados en las soldaduras de filete, están dentro

de los valores de J y las variables eléctricas utilizadas por SFA 5.1 como se muestra

en la figura 10.

Figura 10 Valores de J para el primero y segundo paso de la soldadura de filete.

Sin embargo los valores mostrados no pueden ser considerarse como los adecuados

para la realización de las soldaduras de filete, toda vez que el espesor de pared es un

factor importante a fin de evitar el ―burning through‖. Para el presente estudio los

espesores de tubería de 12.7 mm, presentaron penetración completa en cada una la

secciones analizadas por macroataque como se observa en las figuras de la 11 a la 22,

donde se observa que el J introducido fue el adecuado para el espesor utilizado, sin

embargo deberá de considerarse de forma minuciosa la variación de amperaje (I) y

voltaje (E) durante el proceso de aplicación de soldadura.

3.3 Soldadura a tope.- los valores reportados de resistencia a la tensión para las

muestras con soldadura a tope, en todos los casos se excede el valor de resistencia

tensil mínimo requerido por cada una de las especificaciones de los materiales

utilizados como se muestra en las tabla 12.

Calor introducido con electrodo E7018 de 3.17 mm

de diámetro en pasos 1 y 2

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

SFA 5.1

WPS 01 P

-1

WPS 01 P

-2

WPS 02 P

-1

WPS 02 P

-2

WPS 03 P

-1

WPS 03 P

-2

SFA 5.1

Pasos de soldadura

Calo

r in

tro

du

cid

o (

KJ/p

lg)

Envolventes

115 Amp - 35 Volt y S=2

165 Amp - 35 Volt y S=2

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Tabla 12 Resistencia tensil realizada a soldaduras a tope de las envolventes.

Muestra Medidas De

Muestras (plg.) Área (plg

2)

Carga Máxima (Lbs)

UTS (Mpa) Rompe

Laboratorio Especificación*

WPS 01 ST-1 0,507 0,863 0,4375 32,850 518 414 SOL

WPS 01 ST-2 0,516 0,765 0,3947 29,350 513 414 MB

WPS 02 ST-1 0.507 0.725 0.3675 31,850 597 414 MB

WPS 02 ST-2 0.510 0.715 0.3646 33,400 631 414 MB

WPS 03 ST-1 0.400 0.748 0.2992 21,400 493 414 MB

WPS 03 ST-2 0.400 0.742 0.2968 23,150 538 414 MB

* Nota se indica el valor de UTS menor de los materiales utilizados el cual corresponde al electrodo SFA

5.1 E6010.

3.4 Macroataque.- los resultados de las cuatro muestras con macroataque

realizadas por envolvente a las soldaduras de filete, presentaron, penetración completa

en cada una de las muestras ensayadas como se muestra en las figuras de la 11 a la

22, lo que corrobora que los parámetros utilizados tanto de voltaje, amperaje y

velocidad de depósito fueron adecuados, también se observa la ausencia de fisuras en

los sitios potenciales de grietas que se indican en la figura 7, también se presenta una

ZAC uniforme y una penetración 2.4 mm hasta 3.2 mm en algunos casos, dejando un

remante de espesor de pared de hasta 9.5 mm posterior a la penetración, el cual no

deberá considerarse como espesor libre de alteraciones micro estructurales, ya que a

partir de la línea de fusión se presentan zonas con cambios comprendidos dentro de la

ZAC, para conocer la variación de estos cambios en lo referente a las propiedades

mecánicas se realizaron ensayos de micro dureza en la ZAC de una muestra de

soldadura de filete.

Figura 11 Macroataque muestra WPS 01 M1 Figura 12 Macroataque muestra WPS 01 M2.

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3.4 Micro dureza – El ensayo de dureza se efectuó en la ZAC de cada una de las

muestras de la soldadura de filete, observando un incremento en la dureza lo cual es

producto de la alteración micro estructural en dicha zona, sin embargo no hay una

tendencia con respecto a la ubicación donde se tomo la lectura, lo cual puede ser

debido a la oscilación en la longitud del arco eléctrico e inclusive a la posición de donde

fue extraída la muestra, es de hacer notar que los valores de micro dureza obtenidos

para en todos los casos la resistencia tensil obtenida mediante correlación de tablas de

ASTM A370 [15] esta por arriba de los valores UTS para cada material, sin embargo

comparando con los valores de UTS proporcionados en el certificado de calidad de los

fabricantes(ver tabla 3) la muestra WPS 02 MD1 presenta valores próximos para esta

muestra lo cual indica una menor variación en propiedades en el espesor de pared de

la tubería, no así para las otras dos muestras donde se obtuvo una UTS con un margen

mayor.

20 de 23

Las tablas 13, 14 y 15 muestran los valores de dureza obtenidos para cada muestra,

así como las figuras 23, 24 y 25 se observa lo localización de la lectura del ensayo de

duraza en la ZAC.

Tabla 13 Valores micro dureza (HV)

punto

Muestra WPS 01 MD1

HV UTS (Mpa)

1 178 605

2 209 690

3 167 570

4 214 705

5 209 690

Figura 23 ensayo de micro dureza en la muestra WPS 01 MD1.


punto

Muestra WPS 02 MD1

HV UTS

(Mpa)

1 133 440

2 126 425

3 155 530

4 133 440

5 187 615



punto

Muestra WPS 03 MD1

HV UTS

(Mpa)

1 175 590

2 214 705

3 220 715

4 209 690

5 187 615


21 de 23

La figura 26 muestra la dispersión de los valores de dureza obtenidos en cada una de

las muestras sin presentar una tendencia con respecto a la localización del punto de

lectura en la ZAC.


4 Conclusiones

Las condiciones de la prueba bajo las cuales se llevaron a cabo las soldaduras de filete y a tope de las envolventes favorecen la obtención de soldaduras sanas.

El CE reportado en cada uno de los materiales utilizados determinante para no tener problemas de soldabilidad, sin embargo la utilización de placa presento el mayor CE, por lo que materiales con CE hasta 0.41 presentaron buena soldabilidad. Los materiales utilizados en las pruebas presentaron un valor de CE menor de 0.5, no teniendo problemas de soldabilidad.

Las variables de corriente, voltaje y velocidad de aplicación utilizadas, demostraron ser adecuadas para la producción de soldaduras sanas bajo condiciones de simulación de flujo.

El calor introducido J con las variables de I, E y S con la utilización de un electrodo SFA 5.1 E7018 de 3.17 mm de diámetro en combinación con la velocidad de enfriamiento producida por el fluido, demostraron ser una combinación adecuada debido a que no se detecto la presencia de microestructuras agresivas para el espesor y especificación de los aceros de tubería y placa utilizados. Incluir valores. El control de las variables I, E y S produce la generación de un calor introducido genera soldaduras sanas bajo las condiciones de enfriamiento

La variación de I, E y S deberá realizarse de forma cuidadosa ya que la disminución de espesor, un incremento de I y la no utilización de

Grafica microdureza en ZAC

0

50

100

150

200

250

1 2 3 4 5

Punto de lectura

Mic

rod

ure

za V

ickers

(H

V)

Muestra WPS 01 MD1

Muestra WPS 02 MD1

Muestra WPS 03 MD1

22 de 23

electrodos del tipo EXX18, son condiciones que favorecen el riesgo de ocurrencia del burning through. Debe mantenerse bajo control a fin de evitar el riesgo de ocurrencia burning through.

La secuencia de aplicación de soldadura para el caso de las uniones a tope, demostró ser apropiada para la obtención de soldaduras sanas y con propiedades mecánicas por arriba del mínimo requerido por las especificaciones de los materiales.

El conocimiento y cumplimiento de las variables esenciales por los soldadores para efectuar la aplicación del procedimiento y asegurar la reproducibilidad de soldaduras sanas. Es de vital importancia que los soldadores tengan conocimiento de la importancia de vigilar el cumplimiento de las variables esenciales al efectuar el procedimiento, para asegurar la reproductividad de soldaduras sanas.

5 Nomenclatura

AIH – Agrietamiento Inducido por Hidrógeno

ZAC – Zona afectada por el calor

EIII – Equipo Instrumentado de Inspección Interna

CE – Carbono equivalente

MEF – Modelado por Elementos Finitos

J = Joules por pulgada

I = Corriente en amperes proporcionada por el arco eléctrico

E = Potencial en volts (voltaje de arco)

S = Velocidad de aplicación de la soldadura (pulg / min)

UTS = Resistencia ultima a la tensión

6 Agradecimientos

Los autores expresan su gratitud a las siguientes instituciones por el apoyo experimental durante el desarrollo de este trabajo: Pemex Exploración y Producción, Instituto Mexicano del Petróleo y a las facilidades otorgadas por las contratistas: Construcciones e Ingeniería SIVA, S.A. De C.V. y Grupo Zirahuen S.A. De C.V

7. Referencias

[1] API STANDARD 1104 “Welding of Pipeline and Related Facilities” Twentieth Edition, November (2005). [2] J.A. Ramirez ―Hydrogen Induced Cracking of Welds in Steel Pipelines‖ PVP-Vol 469, 35-44 Design and analysis of pressure vessels and piping (2003) [3] Vehículos instrumentados http://www.nkk.co.jp/en/index.html, http://www.pipetronix.de/ http://www.roseninspection.net/ 12, VII, (2002). [4] J.A. Ramírez, I. Alcántara, I Juárez, V. F. Godínez ―PND en la determinación del esfuerzo remanente de áreas corroídas en ductos de acero al carbono‖ 7ª Conferencia Mexicana de Pruebas No Destructivas (2007)

http://www.nkk.co.jp/en/index.html

http://www.pipetronix.de/

http://www.roseninspection.net/

23 de 23

[5] ASME B31G ―Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines‖ (1991). [6] NRF-030-PEMEX-2003 ―Diseño, Construcción, Inspección y Mantenimiento De Ductos Terrestres Para Transporte y Recolección De Hidrocarburos‖ (2003). [7] Mónica Zalazar. ―Consideraciones Relativas a la Soldadura en Servicio en Gasoductos y Oleoductos‖ Congreso Nacional de soldadura México (2006). [8] API Recommended Practice 2201 ―Procedures for Welding or Hot Tapping on Equipment-in Service‖ fourth edition, September (1995). [9] Roland Palmer-Jones Repairing Internal Corrosion Defects in Pipelines a Case Study, 4th International Pipeline Rehabilitation and Maintenance Conference, Prague, September (2000) [10] Gorge E. Linnert, Welding Metallurgy Carbon and Alloy Steels, Volume I pp 455-459 Fourth Edition (1994) [11] Welding Brazing and Soldering, Volume 6 pp 427-428, American Society of Materials (1997) [12] Standard Specification for Seamless Carbon Steel Pipe for High-Temperature Service (2002) [13] Standard Specification for High-Strength Low-Alloy Columbium-Vanadium Structural Steel (2006) [14] SFA 5.1 Specification for Carbon Steel Electrodes For Shielded Metal Arc Welding (1991). [15] API 5L SPEC. “Specification for Line Pipe”, Forty-Third Edition, (2004) [16] Cisilino, A.P. et al, Minimum thickness for circumferential sleeve repair fillet welds in corroded gas pipelines - International journal of pressure vessels and piping 79, 67 – 76, (2002). [17] Chapetti, M. D. et al, Full scale experimental analysis of stress states in sleeve repair of gas pipelines - International journal of pressure vessels and piping 79 - 379 – 387 (2001). [18] Sabapathy P. N., et al, Numerical models of in-service welding of gas Pipelines. Journal of materials processing technology 118, 14-21 (2001). [19] Sabapathy P. N., et al, The prediction of burn –through during inservice welding of gas pipelines –International journal of pressure vessels and piping 77 - 669-667 (2000). [20] Smith K.y Wilson M. Stress analysis of a fillet weld between a pipe and sleeve reinforcement. GCERS.File Nº 2633/35 ad 2597 (1972). [21] NRF-030-PEMEX-2003 ―Diseño, Construcción, Inspección y Mantenimiento De Ductos Terrestres ParaTransporte y Recolección De Hidrocarburos‖ (2003). [22] ASME B31.4 ―Pipeline Transportation System For Liquid Hydrocarbons and others Liquids‖ (2002). [23] ASME B31.8 ―Gas Transmission And Distribution Piping Systems‖ (2003). [24] Hisashi Nagamizo ―NDE Of Pipe Inner Corrosion With Delayed Echoes of SV Wave Propagated Circumferentially in Liquid-Filled Pipes‖ PVP-Vol 456, 7-12 Ultrasonic Non Destructive Evaluation for Materials Science and Industries (2003). [25] F.H. Dijkstra ―Ultrasonic Inspection Of Pipeline Split-Tees‖ (2004).

articulo calif de proced de sold ap b api 1104 ed 2005-v1

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