Procesos de Formación de Tuberías de Acero

Alan Daniel García Rodríguez 131314 IMAAlberto Galván Cuellar 140846 IMTHernán Roger González Morales 143267 IMA

Procesos de Manufactura

Dr. Zygmunt Haduch

Introducción

Teoría de Deformación Plástica de Lamina

Procesos de Formación de TubosCon Costura

•Soldados Longitudinalmente•Tubos espirales•Alta frecuencia•Pruebas de Soldadura

Sin Costura•Sin soldadura•Enrollado Pilger•Taladrado continuo•Empujado

Proceso de Soldadura•Soldadura por Arco eléctrico Sumergido

Problemas de desgaste de herramientas formadoras

Temas a Tratar

IntroducciónExisten varios métodos para fabricar tuberías de acero, ya sean métodos por diferentes tipos de soldadura, o sin soldadura, trabajando con una barra en caliente y perforándola.

Aplicaciones de tuberías de acero van desde plomería y tuberías domesticas, tubos de altas temperaturas y presiones, tuberías de drenaje pluvial, tuberías de flujo de petróleo y gas natural, hasta en la construcción de plataformas petroleras.

IntroduccionEn la tabla que se mostrara a continuación se describe los diferentes grados de tubos, según normas de:ASTM (American Society for Testing Materials) API (American Petroleum Insitute) AWWA(American Water Works Association)

Grado Rango de Diámetro Externo UsoASTM A-53 1/8” hasta 26” Plomería y tubería domestica bajo

presiones y temperaturas normales.

ASTM A-106 1/8 hasta 26” Tubos para altas temperaturas y altas presiones

ASTM A-139 4” y mas grandes Tuberías industriales, principalmente agua

ASTM A-252 Cualquier tamaño Pozos perforados y aplicaciones estructurales

ASTM A-500 Máximo diámetro exterior 64” Aplicaciones estructurales para construcción de soldado o remachado

API 5 L 1/8” hasta 48” Transmisión de petróleo y gas natural

API 2 B 54” y mas grandes Rolados y soldados para construcción de plataformas petroleras

AWWA C-200 6” y mas grandes Tuberías de desechos y de agua

IntroducciónEn la siguiente tabla mostraremos los tipos de procesos de fabricación utilizados para los tipos de tuberías descritos en la tabla anterior. Se describe también su composición química, punto de cedencia y su máxima resistencia tensil.

Tipo Proceso de Manufactura

Composición Química

Punto de cedencia (psi)

Máxima Resistencia Tensil (psi)

ASTM A-53 Método sin soldadura y Soldadura por Resistencia

0.25 %C 0.95 %Mn 0.05 %P 0.4 %Ni

30,000 48,000-60,000

ASTM A-500 Método sin soldadura y Soldadura por Resistencia

0.26 %C1.35 %Mn0.2 %Cu 0.035 %P

36,000 58,000

ASTM A-252 Método sin soldadura y Soldadura por Resistencia, Espiral y U&O

0.25 %C0.04 %S0.05 %P

30,000-46,000 50,000-60,000

API 5L Método sin soldadura y Soldadura por Resistencia, Espiral y U&O

0.2 %C0.9 %Mn0.04 %P0.04 %S

42,000-60,000 60,000-75,000

Procesos de Formación de Tubos

Tipos de FormaciónEn la manufactura de tubos de acero generalmente hay 2 tipos de formación de tubos, soldados y no soldados. Los tubos soldados comienzan como una lamina de acero que después es doblada dándole la forma del tubo y finalmente es soldada.

Los tubos no soldados empiezan como una barra circular de acero que estando en caliente se le somete un mandril que le hará el hueco a la barra y así formando el tubo finalmente.

El proceso de formación para ambos tipos comienza con la formación de acero en el alto horno, después por la colada continua para ser laminado y ya sea el tipo que se escoja se enrolla la lamina o se deja como una barra redonda.

Tubos con CosturaEl proceso requerido para la producción de tubos soldados comienza con una lamina de acero, previamente enrollada. A esta lamina se le dará la forma del tubo y finalmente será soldada, existen varias maneras de lograr esto, las cuales serán mencionadas a continuación.

Estos procesos requieren de numerosas pruebas de soldadura, ya que fluidos nocivos pueden fluir por las tuberías y ser peligrosos si no fueron soldados correctamente.

Tipos de FormacionEsquema de proceso para formación de tubos soldados.

Alta Frecuencia

Este es el método que ha tenido mayor dispersión en el mercado, se aplica una corriente alterna de alta frecuencia 200 a 500 kHz. Se aplica para tubos con diámetros externos de 20 hasta 600 mm y de 0.5 a 16 mm de espesor, la maquina soldadora opera a velocidades entre 10 a 120 m/min.

Este proceso consiste en una serie de rodillos en numerosos stands que deformaran la lamina que se tiene al inicio para darle la forma de tubo.

Alta Frecuencia

Se requieren de 8 a 10 stands de rodillos para deformar la placa hasta darle el aspecto de un tubo y finalmente ser soldado solo los rodillos iniciales y finales requieren de fuente de energía para ser movidos. Una vez en los rodillos finales, estos presionan para cerrar el tubo y finalmente ser soldado por medio de alta frecuencia.

Alta Frecuencia

La soldadura como se menciona previamente usa frecuencia de 200 a 500 kHz, el calor necesario para soldar ambas orillas del tubo se genera gracias a la resistencia del material a la alta frecuencia de la corriente alterna.

La corriente puede ser transferida inductivamente por medio de una bobina de inducción o conductivamente por medio de contactos deslizadores que corren a través de las orillas del tubo.

Alta Frecuencia

Parámetro Dimensión

Diámetro Externo 20 -600 mm

Grosor de Pared 0.5-16 mm

Frecuencia 200-500 kHz

Velocidad de Soldadura 10 – 120 m/min

Temperatura de Rolado Temp. ambiente

Presión de Rodillos 330 MPa

Parámetros

Soldados LongitudinalmenteTambién conocido como formación “U” y “O”. Inicialmente se tiene una placa de acero, esta se le da un doblado inicial a las orillas, para al final poder soldarlas sin desalinearse. Después la placa es sometida al doblado en “U”, esta operación requiere una herramienta de radio circular que empuja hacia abajo la lamina dándole esta forma de “U”. Se le da una deformación extra para considerar el efecto “spring-back”

Dirección de la fuerza de la prensa

Soldados LongitudinalmenteDespués de la prensa en “U”, procede a la prensa tipo “O”, unaherramienta semicircular presiona la placa ya deformada inicialmente para darle la forma final del tubo. De la forma “U” pasa a cerrarse completamente. La prensa de formado en “O” tiene una capacidad de hasta 600 MN

Dirección de la fuerza de la prensa

Prensa Semicircular

Soldados LongitudinalmenteUna vez dada la forma “O”, las orillas son presionadas y unidas con soldadura automática tipo MAG (Metallic Active Gas), o por método SAW (Arco Eléctrico Sumergido) la velocidad de soldadura varia en el rango entre los 5 a 12 m/min.

Debido a los grosores de los tubos es necesario aplicar una doble soldadura, esto quiere decir que primero se suelda por dentro y después por fuera del tubo. Se hace deslizar el tubo por medio de una cabeza de soldadura estacionaria.

Parámetros

Soldados Longitudinalmente

Parámetro Dimensión

Diámetro de Tubería 400 – 1620 mm

Longitud de Tubería Hasta 18 m

Grosor de Pared 6 a 40 mm

Fuerza de Prensa en “O” 600 MN

Velocidad de soldadura 5 a 12 m/min

Temperatura de Deformado Temp. ambiente

Tubos EspiralesEn este proceso se tiene inicialmente una lamina en caliente (para facilitar su deformado) que se le da la forma de tubo por medio de deformado en espiral y después soldado y finalmente cortado

Como ventaja sobre el método en “U” y “O” es que se pueden trabajar con varios diámetros de tuberías, en el otro método los dados y punzones ya tienen la forma para un solo diámetro.

Se aplica para diámetros de 500 a 2500 mm y grosores de 20 mm aprox.

Tubos Espirales

La lamina inicial que se tiene se somete a una serie de rodillos que pueden ser internos o externos, estos rodillos le darán la forma del tubo a la lamina. Estos rodillos sirven para maximizar la redondez y obtener dimensiones de tubería exactas. Los rodillos deben ser acomodados dependiendo del diámetro de tubería deseado.

Rodillos Internos Rodillos Externos

Tubos EspiralesDespués la formación del tubo en espiral, el tubo que sigue en rotación continua es soldado, las orillas son soldadas por medio de SAW (Arco Eléctrico Sumergido) o por método MAG (Metallic Active Gas) usando como gas el dióxido de carbono.Primero es soldado por dentro en la parte inferior del tubo “6 o’ clock position” y medio giro después es soldada por el mismo método pero en la parte exterior superior “12 o’ clock position”

Tubos Espirales

Después de esto el tubo procede a ser cortado a medidas individuales requerida. Debido a la alta velocidad de soldadura, se ha vuelto necesario reemplazar la antorcha cortadora de oxiacetilénico por una antorcha cortadora de plasma de alta velocidad operada con inyección de agua.

Estas cortadoras de plasma operan con una corriente de 30-50 amp, usan como gas activo aire, argón, oxigeno o nitrógeno. Su temperatura de cortado puede llegar hasta los 25000⁰F

Tubos Espirales

Uno de los grados de aceros utilizados mas comúnmente para estos tubos es el acero AWWA (American Water Works Association) C-200 este tipo de acero esta dividido en diferentes tipos así como diferentes propiedades mecánicas.Las dimensiones mas comunes en el mercado son 36 in de diámetro externo así como 0.5 in de grosor.

AWWA C-200

Punto de Cedencia (psi)

Resistencia Tensil Permisible (psi)

Grado B 35000 31500

Grado C 42000 37800

Grado D 46000 41400

Grado E 52000 46800

Debido a que es utilizado en drenaje, es necesario someterse a pruebas hidrostáticas descritas mas adelante.

Tubos EspiralesParámetros

Parámetro Dimensión

Diámetro Externo 500-2500 mm

Grosor de Pared 20 mm

Longitud de Tubería 30 m

Velocidad de Soldadura 12 m/min

Gas utilizado por método MAG Dióxido de Carbono

Temperatura de Rolado Temperatura Ambiente

Tipos y Pruebas de SoldaduraLos procesos de unión de metales siempre han sido de gran importancia, pero en la aplicación para tuberías de acero tiene que ser procesos de soldadura muy exactos ya que diferentes fluidos pasaran por estas tuberías y es importante la exactitud del proceso de soldadura, así como de tener ya sean destructivas o no destructivas. numerosos procesos de pruebas de estas soldaduras

Aun así que no sean utilizados para el flujo de materiales o de gases, algunos son utilizados para la industria de construcción.

Tipos y Pruebas de SoldaduraA lo largo de la historia los procesos de soldadura que tuvieron mayor éxito en el área para tuberías fueron los tipo MAG (Metallic Active Gas) usando CO2. Así como el proceso de arco eléctrico sumergido (SAW) que aplica para tuberías de diámetros externos variables hasta de 1600 mm

Proceso de Formado

Proceso de Soldadura

Nomenclatura Soldadura Diámetro Externo (mm)

Continuo Soldadura por resistencia eléctrica

Corriente DirectaBaja frecuenciaAlta frecuencia

Longitudinal 10-2010-11420-600

En Espiral Arco eléctrico Arco Electrico Sumergido (SAW)Arco metalico con gas (MAG)

Longitudinal 200-600

Formado en Prensa “U/O”

Arco Eléctrico Arco Electrico Sumergido (SAW)Arco metalico con gas (MAG)

Longitudinal 450-1600

Tipos de Soldadura

Método de fusión eléctrica realizado por un arco oculto. El arco se forma entre el electrodo y el tubo y esta escondido a la vista debido a que hay un material fundente “flux” por encima de este. El electrodo esta inicialmente enrollado y es alimentado a la soldadura en la sección del metal fundido por medio de rodillos formadores. La temperatura del arco que oscila entre los 4000 ⁰C y 5000⁰C funde el electrodo así como las orillas del tubo.

SAW [Soldadura por Arco Eléctrico Sumergido](Submerged Arc Welding)

Tipos de Soldadura

El material fundente que también es aportado forma una cubierta liquida de escoria que protege la región soldada. Sirve también como donador de elementos de aleación para compensar las perdidas por oxidación y por fusión. El material fundente que no se derritió o que no se uso puede ser reutilizado y la escoria es fácilmente removida.

Se aplican 2 soldaduras primero interna y luego externa, se utiliza una corriente de 1200 A, se pueden utilizar varios electrodos (hasta 4) si es de mayor grosor el tubo (>20mm), la velocidad de soldadura oscila entre los 1 a 3 m/min

SAW [Soldadura por Arco Eléctrico Sumergido](Submerged Arc Welding)

Parámetro ValorTemp. de Arco Eléctrico 4000 – 5000 ⁰CCorriente 1200 AVelocidad de Soldadura 1 – 2.5 m/minGrosor de Tubería Hasta 40 mm

Tipos de Soldadura

En este proceso el arco eléctrico funde a la pieza a unir así como al electrodo consumible que se aplica, que es el material que se usa para rellenar. En la soldadura tipo MAG, el gas de protección es activo puede consistir de puro CO2 o una mezcla de componentes de CO2, O2 y argón. Si no usamos este gas activo como CO2 la unión soldada se descaburiza y podría fallar.

El CO2 aumenta penetración de soldadura, carburuiza y nos da una unión mas resistente.

MAG [Metallic Active Gas]

Tipos de Soldadura

Este proceso de soldadura esta siendo usado en la manufactura de tuberías de grandes diámetros por el método espiral así como las soldadas longitudinalmente. Esta soldadura también puede ser aplicada a una tubería antes de ser sometida a una soldadura doble por el método SAW. Las velocidades de soldadura por el método MAG oscilan entre los 5 a 12 m/min

MAG [Metallic Active Gas]

Parámetro Valor

Temp. de Arco Eléctrico 4000 – 5000 ⁰C

Gas Utilizado CO2

Velocidad de Soldadura 5 – 12 m/min

Grosor de Tubería 20 mm

Tipos de Soldadura

Tipo de Soldadura Espesores de Pared Soldadura Sencilla/Doble

Alta Frecuencia 0.5 a 10mm Sencilla

MAG 20 mm Doble

SAW 20 a 40 mm Doble

Sencilla Doble

Aquí se muestra que dependiendo del espesor de pared de las tuberías es el factor que determina si se aplica una soldadura doble o una sola soldadura.

Pruebas de Soldadura

Estas pruebas no destructivas sirven para medir la calidad de la soldadura e inspeccionarla por varios métodos para poder saber si podrá cumplir conlas condiciones requeridas, si no tendrá fugas y si soportara las presiones a las que será sometido.

Una de las primeras pruebas es la expansión mecánica, la cual se ejecuta por medio de expansores hidráulicos o mecánicos, se expande aprox. 1% d su circunferencia inicial.

Pruebas de SoldaduraOtro método de inspección es el de a base de rayos-X y ultrasonido, estas pruebas utilizan software que nos proporcionan imágenes que favorecerán la inspección de la superficie del tubo así como en la detección de imperfecciones en la soldadura. EUROPIPE utiliza el sistema de control de calidad PRODIS (Production Control Information System) para la inspección de tuberías.

La inspección requerida por EUROPIPE es hasta de 1000 radiografías por día, se sabe que aun un evaluador con experiencia detecta de 70 a 80% de los defectos, el objetivo de las radiografias es incrementar este porcentaje.

Pruebas de SoldaduraLas pruebas de radiografías se hacen de adentro hacia afuera, debe estar un convertidor de imágenes suspendido por encima de la tubería por dentro y viajar alrededor de la tubería. Para lograr estas imágenes de rayos-X se necesita un voltaje en el tubo de 250 kV y se logran imágenes con resoluciones de hasta 50μm

Estas pruebas a base de rayos-X se aplica principalmente para tuberías que transportan gas o petróleo.

Tubos sin CosturaEl proceso de formación de estos tubos sin soldadura, comienza con una barra redonda en caliente, que por medio de un mandril, dependiendo del caso, se le perforara y se le hará el hueco dándole la forma del tubo.

Estos tubos tienen la ventaja sobre los soldados que, no tienen que ser sometidos a tantas pruebas de soldadura, ya que no son soldados. Entonces sus fallas serian menores ya que no habría fallas de este tipo.

Tipos de FormaciónEsquema de proceso para formación de tubos no soldados.

Taladrado y Enrollado PilgerSe tiene una barra redonda y se calienta hasta la temperatura de laminación entre 1250 a 1300⁰C dependiendo de la composición del material donde inicialmente es perforado por un mandril de perforación donde la reducción de su área transversal esta entre 33% y un 50%

La barra redonda se hace pasar por rodillos los cuales hacen girar el tubo de forma espiral, luego son sometidos a un mandril de perforación que empujara hacia atrás el material que solía estar en el hueco del tubo, conforme avanza el mandril el tubo esta siendo deformado por los rodillos.Durante este proceso de perforado el tubo es elongado generalmente de 1.5 hasta 2 veces su longitud original.

Taladrado y Enrollado PilgerLa barra es después sometida al proceso Pilger en el cual se aplica el mismo concepto solo que aquí se quiere reducir el espesor aumentando el diámetro interno, y aquí la elongación en la longitud es aun mayor entre 5 a 10 veces su longitud.

Los rodillos 2 rodillos utilizados que giran el tubo son conocidos por su fuerte forjado, gracias a que tienen una superficie cónica. Inclusive se refieren a veces como dados debido a su acción de forjado. Se requieren entre 5 hasta 28 stands de rodillos para esta operación. La temperatura a lo largo de los stands se conserva hasta producir la tubería ya terminada y al final se logra una reducción de sección transversal de 80% hasta 90%.

Taladrado y Enrollado PilgerParámetros

Parámetro Valor

Diámetro Externo 60-660 mm

Espesor de pared 3 a 125 mm

Longitud de Tubería Hasta 28 m

Temperatura de Rolado 1250 a 1300 ⁰C

Presión de Rodillos 25-30 Mpa

Enrollado por Taladrado continuo

Se comienza con barras de 200 mm de diámetro en longitudes hasta de 5m y son calentadas hasta la temperatura de rolado, alrededor de 1280⁰C, después es perforada en una barra hueca, durante este proceso es elongada de 2 a 4 veces su longitud inicial y con una reducción de área de hasta 75%

Este tubo es después sometida a una serie de rodillos continuos que hacen pasar la barra sobre un mandril para producir la tubería final, en este proceso una elongación de hasta 400% es lograda y con una reducción de área de 75%

Enrollado por Taladrado continuo

Los rodillos consisten de entre 7 a 9 stands de rolado cada uno con su velocidad variable. A lo largo de estos stands, teniendo el mandril en el hueco de la tubería se le ira dando la forma de la tubería final, como se muestra en la figura, y es elongada de stand en stand debido a que es llevada uniformemente a rodillos mas pequeños. Al llegar al stand final el mandril es removido y el tubo es enfriado.

Enrollado por Taladrado continuo

Debido a que en este proceso no se mantiene la alta temperatura, hay una caida de temperatura approx 500⁰C a lo largo de los rodillos, debido a esto es recalentada entre 10 a 15 minutos hasta que regrese a su temperatura de forjado. Despues de este recalentamiento el tubo es rolado en sus dimensiones finales, esto requerira entre 24 hasta 28 mas stands de 3 rodillos, como se muestran en la figura.

Enrollado por Taladrado continuo

Parámetros

Parámetro ValorDiámetro Externo 60 a 406 mm

Espesor de Pared 3 a 30 mm

Longitud de Tubería 12 a 16 m

Temperatura de Rolado 1280⁰C

Presión de Rodillos 25-30 MPa

Temperatura de Recalentamiento 950-980⁰C

Velocidad de Producción Hasta 15 m/s

Proceso de Empujado

En este proceso la materia prima no necesariamente tiene que ser una barra redonda, puede ser una barra cuadrada, octagonal o redonda. Después de haber sido calentadas a la temperatura de deformado, se les coloca sobre un dado cilíndrico para ser perforadas. El mandril perforador les da la forma de una barra hueca con fondo cerrado, proceso similar al embutido de latas.

Después son llevadas a los rodillos que harán elongar la barra hasta 2 veces su longitud inicial.

Proceso de Empujado

Después de esto el tubo hueco es elongado, en la prensa de empujado, donde sin necesidad de recalentamiento, de 10 a 15 veces su longitud inicial usando una barra de mandril como herramienta interna. Se utilizan hasta 15 stands de dorillos que utilizan 3 rodillos distribuidos, sus velocidades de operación oscilan entre los 6 m/s. Despues de esto se introduce una nueva herramienta conocida como “reeler” que sirve para remover el mandril del área de operación.

Proceso de EmpujadoAsí como los previos procesos una vez que fue removido el mandril, su temperatura va descendiendo y se tiene que volver a calentar a su temperatura de deformado y después de esto es llevado a otra serie de stands de rolado para darle la forma final deseada.

Proceso de Empujado

Parámetros

Parámetro Valor

Diámetro de Tubería 50 a 170 mm

Espesor de Pared 3 a 18 mm

Longitud de Tubería Hasta 18 m

Temperatura de Rolado 1200 ⁰C

Presión de Rodillos 25-30 MPa

Velocidades de Operación 6 m/s

ConclusiónComo podemos ver algo que tan comúnmente observamos y utilizamos sin necesidad de verlo, tiene su proceso de manufactura selecto, así como extenso, complejo, diverso y a pesar de todo esto debe pasar por numerosas pruebas para no poner en riesgo alguna construcción así como la operación de extracción de petróleo o de flujo de drenaje.

Gracias a estos procesos de manufactura de tubos así como de sus procesos de soldadura, nos han facilitado estas tareas que sin ellos seria imposible llevar a cabo.

FIN