Welding Journal en Espanol

En un artículo previo de Welding Journal (Ref. 1), se describieron varias fallas de soldadura circunferencial en tuberías recién construidas a campo traviesa. Estas fallas ocurrieron en tuberías construidas usando métodos de soldadura convencional de tuberías de estufa (es decir, electrodos tipo AWS EXX10 con recubrimiento celulósico) a niveles de esfuerzo global relativamente bajos ya sea durante el ensayo por presión hidrostática previo a la puesta en servicio o ya en funcionamiento inmediatamente después de que se pusieron en servicio las tuberías. Algunas de estas fallas se atribuyeron a una resistencia de la soldadura insuficiente y/o a ablandamiento de la zona afectada por el calor (HAZ, por sus siglas en inglés) en lo que de otra manera serían consideradas soldaduras circunferenciales aceptables de acuerdo con los códigos y estándares aplicables.

Antecedentes

Una regla fundamental de la ingeniería de soldadura es que, en general, la resistencia de una soldadura debe ser mayor a la resistencia de los materiales base que se están uniendo. A veces esto se interpreta como que la resistencia de la soldadura debe ser mayor que la resistencia mínima especificada de los materiales base que se están uniendo. Con frecuencia no hay requerimientos para que la resistencia de la soldadura sea mayor que la resistencia real de los materiales base que se están uniendo. Debido a que no hay requerimientos para exceder la resistencia real de los materiales base en la mayoría de los códigos y estándares industriales usados en el mundo para la construcción de tuberías, debe usarse el buen juicio de ingeniería para elegir los criterios de aceptación apropiados para el ensayo de tracción durante la calificación del procedimiento. Para muchas aplicaciones, los criterios de aceptación deben estar arriba de los requerimientos mínimos en el código o estándar aplicable.

Las tendencias industriales recientes que han contribuido a las fallas en la soldadura circunferencial de tubería incluyen niveles de resistencia para tubo de conducción tal como se recibió hacia el límite superior del rango aceptable en la Especificación API 5L: 2018, Line Pipe (Ref. 2), el uso de una estrategia de aleación para el tubo de conducción que resulta en una composición química muy delgada que aumenta la probabilidad de ablandamiento de la HAZ, el uso de electrodos con resistencia insuficiente para soldadura de pasada de raíz, y el uso de electrodos con recubrimiento celulósico en general para soldadura de pasada intermedia y de cubierta. Las medidas que pueden tomarse a corto plazo para evitar estas fallas se describieron en el artículo previo. Desde entonces, se ha progresado mucho en la implementación de estas y otras medidas, y el progreso se describe en este artículo de seguimiento.

Áreas de mejora

La industria de la tubería en Norteamérica, y en particular, la compañía operadora de tuberías Enbridge, en Houston, Texas, implementó medidas en varias áreas para mitigar estas fallas por soldadura circunferencial con bajo esfuerzo global (Ref. 3). Estas áreas incluyen prácticas de abastecimiento de tubos de conducción y prácticas de soldadura circunferencial. Estas medidas tienen el propósito de controlar o limitar la resistencia del material de los tubos de conducción, aumentar la resistencia del metal de soldadura y minimizar el ablandamiento de la HAZ.

Abastecimiento de tuberías de conducción

En términos de prácticas de abastecimiento de tuberías de conducción, Enbridge ahora requiere ensayo de tracción del material de las tuberías en la dirección longitudinal en sus especificaciones de compra de material para tuberías, mientras que API 5L actualmente requiere ensayo de tracción sólo en la dirección circunferencial para tuberías de conducción de diámetro más grande. La compañía operadora de tuberías también especifica niveles máximos permisibles de cedencia a la tracción final en la dirección longitudinal que son no más de 17 y 22 ksi (117 y 152 MPa), respectivamente, arriba de los valores mínimos especificados para material de tubería de conducción de Grado X70 y de Grado X65. Por ejemplo, la compañía operadora de tuberías requiere una resistencia máxima permisible a la tracción final y a la cedencia para material de tubería de conducción Grado X70 de 87,300 y 99,700 lb/in.² (602 y 722 MPa), respectivamente. Esto es menos que la resistencia máxima permitida a la tracción final y a la cedencia por API 5L para material de tubo de conducción Grado X70 de 92,100 y 110,200 lb/in.² (625 y 760 MPa), respectivamente.

Además, la compañía operadora de tubería especifica límites de composición química del material del tubo de conducción en sus especificaciones de compra de material para tubo para controlar y/o limitar el ablandamiento en la HAZ. Estos límites incluyen un contenido de carbón no menor a 0.040% y un carbón equivalente Pcm no menor de 0.140%. El intento de especificar límites de composición química mínimos es evitar la pérdida de resistencia que ocurre debido a que la HAZ de una soldadura circunferencial no está sujeta a enfriamiento acelerado o rolado de control, ambos de los cuales contribuyen a la resistencia en el material moderno de tubería de conducción.

Prácticas de soldadura circunferencial

Las medidas implementadas por Enbridge con el fin de aumentar la resistencia del metal de soldadura para materiales de tubo de conducción con mayor resistencia (Grado X65 o mayor) incluyen el uso de electros de mayor resistencia para soldadura de pasada de raíz, y restringir y/o eliminar el uso de electros con recubrimiento celulósico para soldadura de pasada intermedia y de cubierta. Se han usado tradicionalmente electrodos de baja resistencia (por ejemplo, E6010) para soldadura de pasada de raíz para controlar el riesgo de agrietamiento por hidrógeno en la HAZ de materiales de tubos de conducción con carbón equivalente más alto. Ahora que el tubo moderno de conducción de alta resistencia tiene una composición química mucha más limpia y en consecuencia una resistencia alta al agrietamiento por hidrógeno en la HAZ, los electrodos de resistencia similar ahora son apropiados para la soldadura de pasada de raíz. Recientes pruebas han demostrado que los electrodos E8010 son aceptables para soldadura de pasada de raíz en tubo de conducción Grado X70 en términos de operatividad (es decir, calidad de la pasada de raíz), resistencia al agrietamiento por hidrógeno y una mejora en el nivel de resistencia global de la soldadura circunferencial (Ref. 4). Puede requerirse cierta capacitación de los soldadores debido a que los electrodos E8010 tienden a producir un arco ligeramente más suave que los electrodos E6010. Desde el punto de vista de la resistencia de la soldadura, el uso de electrodos de mayor resistencia para soldadura de pasada de raíz es particularmente útil para materiales de pared más delgada (por ejemplo, 0.500 pulgadas y menores), donde la pasada de raíz representa una porción mayor del espesor de la soldadura.

Para soldadura de pasada intermedia y de cubierta, los electrodos E8010 tienen dificultad en igualar la resistencia longitudinal del material moderno de tubo de conducción Grados X65 y X70, y se ha sabido que el uso de electrodos con recubrimiento celulósico con un nivel de resistencia mayor que el de los electrodos E8010 produce un riesgo significativo de agrietamiento por hidrógeno en el metal de soldadura para todas las tuberías excepto las de pared relativamente delgada (0.250 pulgadas y menores) construidas en terreno relativamente plano y climas cálidos. Por estas razones, la compañía operadora de tuberías ha optado por el uso de consumibles de soldadura bajos en hidrógeno y/o procesos con mayor resistencia del metal de soldadura para soldadura de pasada intermedia y de cubierta. La opción preferida en esta área para soldadura manual es el uso de electrodos descendentes bajos en hidrógeno (por ejemplo, E9045). Para aplicaciones donde la mecanización es apropiada, la opción preferida es el uso de soldadura por arco con alambre con electrodo de fundente protegida con gas (FCAW-G, por sus siglas en inglés) con un nivel de resistencia de consumible E91T1 como mínimo. Ambas opciones de procedimiento de soldadura normalmente especifican el uso de electrodos E8010 para soldadura de pasada de raíz.

Calificación del procedimiento de soldadura

Puede usarse calificación del procedimiento de soldadura para demostrar que los procesos de soldadura, consumibles y parámetros de soldadura seleccionados son capaces de producir soldaduras circunferenciales aceptables. Lo aceptable en el contexto actual incluye exceder la resistencia donde el metal de soldadura depositado tiene una resistencia (elasticidad y tracción) que coincide o supera la resistencia real del material del tubo y no hay un ablandamiento significativo de la HAZ. Aun cuando no haya requerimientos para que la resistencia real de la soldadura exceda la resistencia real del material del tubo en la mayoría de los códigos y estándares industriales usados en el mundo para la construcción de tubería, deben incorporarse requerimientos complementarios en los documentos de los contratos de construcción, cuando sea práctico, como por ejemplo para proyectos de construcción grandes que requieran calificación del procedimiento de soldadura en el tubo del proyecto real (no sólo en tubo del mismo grado) y fallas del ensayo de tracción de soldadura cruzada que ocurran en el material base lejos de la soldadura. Aun cuando no siempre sea práctico, la longitud del tubo seleccionado para calificación del procedimiento de soldadura debe estar idealmente en el límite superior de la distribución de resistencia para el tubo entregado para el proyecto.

Cuando se usa tubo del proyecto para calificación del soldador al inicio de un proyecto, el ensayo de tracción de soldadura cruzada brinda otra oportunidad de probar la resistencia en exceso cuando ocurren fallas en el material base lejos de la soldadura.

Capacitación del soldador

La capacitación del soldador en el uso de electrodos descendentes bajos en hidrógeno tiende a ser necesaria para soldadores que no están habituados a soldar descendentes usando electrodos con recubrimiento celulósico. Las diferencias en técnica entre ambos incluyen la necesidad de niveles más altos de corriente y velocidades de viaje más rápidas. Otras diferencias incluyen técnicas de iniciación del arco, ángulos del electrodo requeridos, limitaciones de longitud del arco, técnicas para interrumpir el arco, rectificado de inicios/paradas, y prácticas de almacenamiento de electrodos bajos en hidrógeno. Las mayores velocidades de viaje y el control más estrecho de los parámetros de soldadura tienden a dar lugar a niveles reducidos de entrada de calor en comparación con el uso de electrodos con recubrimiento celulósico, un efecto que ayuda a evitar el ablandamiento de la HAZ.

Implementación en el campo/aceptación industrial

La experiencia reciente ha demostrado que el uso de electrodos E8010 para soldadura de pasada de raíz seguida por soldadura de pasada intermedia y de cubierta usando ya sea electrodos descendentes bajos en hidrógeno o FCAW-G mecanizada, son opciones viables en términos de nivel resultante de resistencia de la soldadura circunferencial y aceptación industrial.

La aceptación entre los contratistas norteamericanos empieza con una explicación clara de lo que está llevando a la necesidad de utilizar consumibles con mayor resistencia y prácticas de soldadura con una menor entrada de calor. El soporte técnico adicional y el compromiso de las compañías operadoras de tuberías son clave para fomentar este cambio. La falta de experiencia con alternativas a las prácticas antiguas de soldadura de tubería de estufa genera el riesgo de un aumento en las tasas de reparación, interrupciones de la producción e impactos comerciales, todo lo cual puede crear incomodidad desde la perspectiva del contratista. La capacitación de los soldadores es crítica para mitigar estos riesgos. Muchas de las numerosas organizaciones de contratistas y fabricantes de electrodos están empezando a modernizar sus programas de capacitación para atender estos cambios.

Debe observarse que ninguna de las fallas de tubería recientes ha implicado soldaduras circunferenciales hechas usando equipo de soldadura por arco con electrodo de metal protegida por gas (GMAW) mecanizada, la cual es la opción evidente para la igualación de la resistencia de la soldadura circunferencial cuando el tamaño del proyecto justifica el gasto. Muchos proyectos de diversos tamaños no justifican el uso de soldadura mecanizada y son más adecuados para el uso de procesos híbridos (soldadura manual o semiautomática de pasada de raíz o de segunda pasada seguida por pasadas intermedias y de cubierta de FCAW-G mecanizada). Éste es un paso excelente hacia la mecanización total sin grandes impactos en las prácticas de construcción convencionales cuando se usa una cuadrilla de tendedores de tubo de lado frontal, biseles de soldadura de preparación en V, y ensayo radiográfico convencional o inspección radiográfica digital/en tiempo real. La soldadura de pasada de raíz, usando GMAW con fuentes de poder de forma de onda, también está siendo evaluada, y aplicada en algunos casos, para aplicaciones de tubería a campo traviesa.

El uso de electrodos E8010 para soldadura de pasada de raíz seguidos por electrodos ascendentes bajos en hidrógeno (por ejemplo, tipo EXX19) para soldadura de pasada intermedia y de cubierta no es una de las primeras preferencias, pero Enbridge pone ésta disponible para contratistas/soldadores que prefieran soldadura ascendente baja en hidrógeno. Debe observarse que con frecuencia se necesitan medidas adicionales de vigilancia y control durante la calificación del procedimiento de soldadura y la soldadura de campo para evitar ablandamiento de la HAZ debido a niveles excesivamente altos de entrada de calor al soldar ascendentemente debido a las velocidades de viaje en principio bajas.

Áreas para mejora adicional

Además de las medidas principales con el fin de controlar o limitar la resistencia del material de los tubos, aumentar la resistencia del metal de soldadura, y minimizar el ablandamiento de la HAZ, debe ponerse especial atención al control de calidad durante las actividades de construcción de la tubería para asegurarse de evitar los esfuerzos excesivos de tensión axial y/o de doblado. Esto incluye asegurar que el perfil de la columna de tubos concuerde con el perfil de la zanja durante las operaciones de doblado en campo, y brindar soporte adecuado del tubo para que no ocurran esfuerzos axiales después de bajarlo del suelo a un terreno no plano y en puntos de inflexión.

Conclusión

El uso de soldaduras circunferenciales de resistencia igualada evita la acumulación de esfuerzos longitudinales en la región de soldadura, la cual es una concentración natural de esfuerzos y es más probable que contenga imperfecciones que el material del tubo. Igualar la resistencia en este contexto significa resistencia del metal de soldadura depositado que iguala o supera la resistencia real (cedencia y tracción) del material del tubo de conducción sin ablandamiento significativo de la HAZ. Esto es más importante para tuberías de diámetro grande construidas usando materiales modernos de tubo de conducción de alta resistencia, particularmente aquéllos en terreno montañoso o sujeto a hundimiento u otras formas de deformación del terreno.

Reconocimientos

Los autores desean expresar su reconocimiento a todos los soldadores, contratistas y organizaciones de contratistas, personal de inspección de campo, laboratorios de ensayos mecánicos, fabricantes de consumibles y demás personas e instituciones involucradas durante los últimos cuatro años de progreso continuo hacia el futuro de la construcción de tuberías en tierra. La gente en el terreno es crítica para el éxito. Los autores también desean expresar su reconocimiento a Steve Rapp de Enbridge y Ken Lee, Melissa Gould, y Matt Boring de DNV, por sus contribuciones a este raudal de trabajo y a este artículo.

Referencias

Bruce, W. A. 2019. Pipeline girth weld strength matching requirements. Welding Journal 98(10): 56–60. 

API Specification 5L:2018, Line Pipe.

Interstate Natural Gas Association of America, Electronic References. Retrieved January 8, 2024, from ingaa.org/x70-jip-enhanced-girth-weld-performance-for-newly-constructed-grade-x70-pipelines.

Lee, K., Bruce, B., and Gould, M. 2022. Evaluation of higher strength E8010 pipe root pass welding. Proceedings of the ASME 2022 13^th International Pipeline Conference (IPC 2022), paper no. IPC2022-87295. Calgary, Alberta, Canada.

William A. Bruce (bill.bruce@dnv.com) es consultor principal sénior, tecnología de soldadura, en DNV, Dublin, Ohio. Russell Scoles (russell.scoles@enbridge.com) es ingeniero especialista sénior en soldadura, ingeniería en integridad de tuberías, en Enbridge, Houston, Tex.