Escuela Politcnica Nacional

Facultad de Ingeniera Mecnica

Laboratorio de Anlisis de Esfuerzos y Vibraciones

Tema: Pruebas de soldaduras en tubera.

Fecha: 30-01-2015

Integrantes: Chipantaxi Chipantasi Vinicio Fabin 1716567225 GR1 Garca Vlez David Giancarlo 1900588383 GR2

Macas Daz Jorge Ricardo 1726131772 GR2

Mera Cevallos Roger Ernesto 2100809827 GR3

Vaca Guato Medardo Jos 0502775315 GR3

Vera Armas Danny Alexis 0401134895 GR2 Sambachi Edison Patricio GR3

Objetivos:

Evaluar las propiedades mecnicas de una muestra de tubo de alta presin y sus

formas de falla. Trazar la curva Esfuerzo Deformacin unitaria para el material e identificar las

zonas ms representativas de dicha curva. Observar los efectos producidos en el comportamiento del material, al trabajar

con probetas normalizadas. Observar el cambio del esfuerzo a medida que la deformacin unitaria crece. Determinar si la fractura que se realiz en las probetas a realizarse fueron dctil o

frgil. Considerar los efectos que puede causar una estructura a la cual se le someten

esfuerzos muy elevados que superan su zona elstica. Conocer en qu zona de la curva se aplica la ley de Hooke, para determinar el tipo

de material, mediante comparacin con la norma a seleccionarse. Determinar el procedimiento de soldadura, a partir de los resultados de ensayo.

Resumen:

En el presente trabajo, se pretende aplicar los conocimientos adquiridos en

la materia de mecnica de materiales y soldadura por produccin y mantenimiento,

para realizar un anlisis completo de una muestra de tubera soldada.

Para nuestros fines consideramos adecuado seguir la norma API 1104, para

realizar los ensayos pertinentes, en probetas normalizadas.

Se observar el comportamiento del material a los ensayos a realizarse;

para la obtencin de los datos se utilizar como herramienta un software que

funciona con la mquina universal de ensayos del Laboratorio de Anlisis de

Esfuerzos y Vibraciones, este software permitir obtener la grfica de esfuerzo deformacin unitaria; se proceder a llenar una tabla cada cierto intervalo de carga

y su respectiva lectura en el extensmetro.

Se determinar el tipo de material ensayado, para lo cual se har una

comparacin, conforme la norma API 1104 SPECIFICATION 5L.

Se har un anlisis de las probetas ensayadas, para determinar si el

procedimiento de soldadura fue aceptable o no, segn la norma ASTM D1.1

Abstract:

In this paper, we pretend to apply the knowledge gained in the field of mechanics of materials and welding production and maintenance, for a complete analysis of a sample of welded pipe.

For our purposes we consider it appropriate to follow the API 1104 standard for the relevant tests under standard test pieces.

The material behavior to be observed tests performed; to obtain the data will be used as a tool software that works with the universal testing machine Laboratory Stress Analysis and Vibration, this software will allow to obtain the graph of stress - strain; will proceed to fill a table at intervals of load and its respective reading the extensometer.

The type of material tested is determined for which will compare, as the 1104 API SPECIFICATION 5L standard.

An analysis of the test pieces will be to determine whether the welding process was acceptable or not, according to ASTM standard D1.1

Introduccin:

El American Petroleum Institute es la institucin ms influyente a nivel

mundial en lo que respecta a normas de ingeniera para la construccin de

oleoductos, siendo la especificacin API 5L (Especificaciones para Tubera de Lnea)

la aplicable para la construccin de tuberas para transporte de petrleo crudo, gas,

as como derivados de hidrocarburos.

Los oleoductos de tubera de acero son construidos uniendo en el sitio

(campo) la series de tubos del dimetro requerido que han sido llevados al lugar

del tendido, la unin es generalmente mediante soldadura. Los tubos por su parte,

pueden tener dimetros desde 1/2" (12,7 mm) hasta 144" (aproximadamente 360

cm) y vienen de fbricas de tuberas que pueden utilizar diversos mtodos para su

fabricacin de acuerdo a la norma API 5L, los mtodos ms usados son:

Seamless (Sin Costura, un tipo de tubera que no es soldada).

ERW (Electrical Resistance Welding o soldadura por resistencia elctrica hoy en

da conocida como High Frequency Welding o HFW).

SAW (Submerged Arc Welding o Soldadura por Arco Sumergido). De este tipo

existe la SAWL (Con costura longitudinal) y la SAWH (Con costura Helicoidal o

en Espiral).1

NORMA API 11.04: Soldadura de Lneas de Tuberas e Instalaciones

Relacionadas.

Alcance.

Cubre todas las soldaduras con gas y arco de tope, filete y embonado en

tuberas de acero al carbono y de baja aleacin que se utilizan en la compresin,

bombeo y trasmisin de petrleo crudo, productos de petrleo, gas combustibles,

dixido de carbono, nitrgeno y otras aplicables.

Se aplica en construcciones nuevas, as como soldaduras de servicio o

mantenimiento.

La soldadura puede ser realizada por arco sumergido, arco protegido, arco de gas

tungsteno, arco metlico con gas, arco con fundente, plasma, oxiacetilnica,

fogonazo o por una combinacin de ellos.

El procedimiento igualmente puede ser manual, semiautomtico, mecanizado,

automtico o una combinacin de ellos.

Las sueldas pueden ser producidas por posicin, girando o por una combinacin de

posiciones y de giro.

Cubre procedimientos para radiografas, partcula magntica, lquidos

penetrantes y pruebas de ultrasonido.

Tambin se aplica a mtodos de inspeccin visual.

1 http://es.wikipedia.org/wiki/Oleoducto

Equipos.

El equipo de soldadura, tanto de arco como de gas, deber ser adecuado y

del tamao apropiado para el trabajo, y deber ser mantenido en forma de que

garantice sueldas, aceptables, operacin continuada y seguridad para los

operadores.

El equipo de soldadura al arco deber ser operado dentro de los rangos de

voltaje y amperaje del procedimiento calificado.

El equipo de soldadura con gas deber ser operado con las caractersticas

adecuadas de llama, y del tamao de boquilla de acuerdo al procedimiento

calificado.

Materiales.

La soldadura de tuberas y accesorios debe cumplir con las normas:

API 5L.

Especificaciones ASTM.

Otros materiales que tengan las propiedades mecnicas y qumicas

similares, equivalentes o mejores que las especificadas.

El material de aporte deber cumplir con las siguientes especificaciones:

AWS A5.1.

AWS A5.2.

AWS A5.5.

AWS A5.17.

AWS A5.18.

AWS A5.20.

AWS A5.28.

AWS A5.29.

Las atmsferas de proteccin del arco son de diferentes tipos y pueden

consistir de gases inertes, gases activos, o mezclas de gases inertes con activos.

La pureza y sequedad de estas atmosferas tienen gran influencia en las

sueldas y deben cuidarse.

La atmsfera de proteccin que se utilizara deber estar calificada para el

material y proceso a utilizar.

Los gases deben mantenerse en contenedores adecuados y protegerlos de

temperaturas extremas, no se deben mezclar y si no hay seguridad de pureza

deben desecharse.

Calificacin de procedimientos de soldadura para sueldas que contienen aditivos de

metal de aporte.

Se debe establecer y calificar un procedimiento detallado ates de iniciar las

sueldas de produccin para demostrar que las juntas tendrn propiedades

mecnicas adecuadas.

La calidad de las soldaduras se demostrar por pruebas destructivas.

Soldadura de juntas de tope.

Para soldar la unin de prueba de juntas a tope, se deben soldar dos niples

de tubera, siguiendo todos los detalles de la especificacin del procedimiento.

Pruebas de soldaduras juntas a tope.

Las probetas deben obtenerse de los sitios indicados en la Figura 1.

Figura 1. Localizacin de los Especmenes de Prueba de Soldaduras a Tope para Prueba de

Calificacin de Procedimiento. Fuente: Ing. Dvila Fernando, MBA; Instructor Internacional; Curso basado en API 1104;

Quito; 2013

El nmero mnimo de probetas y de pruebas se indican en la Tabla 1.

Tabla 1. Tipo y Nmero de Especmenes de Prueba para la Prueba de Calificacin de

Procedimiento.

Fuente: Ing. Dvila Fernando, MBA; Instructor Internacional; Curso basado en API 1104; Quito; 2013

Prueba de Resistencia a la Tensin

Preparacin.

Los especmenes de prueba de resistencia a la tensin debern ser

aproximadamente de 9 in. (230 mm) de largo y aproximadamente de 1 in. (25

mm) de ancho. Estos deben cortarse mediante mquina u oxigas, y ninguna otra

preparacin es necesaria a menos que los lados estn muescados o no paralelos.

Si es necesario, los especmenes debern ser maquinados para que los lados estn

lisos y paralelos, Figura 2.

Figura 2. Espcimen de Prueba de Resistencia a la Tensin. Fuente: Norma API 11.04.pdf

Mtodo.

Los especmenes de prueba de resistencia a la tensin debern ser

quebrados bajo una carga de tensin usando un equipo capaz de medir la carga a

la cual ocurre la falla. La resistencia a la tensin deber ser calculada al dividir la

carga mxima al momento de la falla entre el rea de seccin transversal ms

pequea del espcimen, segn sea medida antes de que la carga sea aplicada.

Requerimientos.

La probeta debe romperse con la carga de tensin y medirse la carga a la

que ocurre la falla.

El esfuerzo de tensin de la soldadura, incluyendo la zona de fusin de cada

probeta, deber ser mayor o igual a la del esfuerzo de tensin mnima especificada

del material de la tubera pero no necesita ser mayor o igual al esfuerzo de tensin

del material.

Si la probeta se rompe fuera de la soldadura y de la zona de fusin y cumple

los requisitos del esfuerzo mnimo de tensin de la especificacin, se acepta la

soldadura como que cumple con los requerimientos.

Si se rompe en la zona de la soldadura o de fusin, y el esfuerzo es mayor

o igual que el especificado de la tubera, se acepta.

Si la probeta se rompe con valor menor al esfuerzo de tensin mnimo

especificado para el material de la tubera, la suelda debe ser rechazada y se

deber realizar una nueva prueba de soldadura.

Prueba de Nick-Break (ruptura con destaje).

La probeta para la prueba de ruptura se prepara de acuerdo a la figura 3.

El destaje se hace con la sierra a cada lado en el centro de la suelda y cada

ranura debe ser aproximadamente de 1/8 de profundidad.

Figura 3. Espcimen de Prueba de Nick-Break.

Fuente: Norma API 11.04.pdf

Mtodo.

La probeta para la prueba de ruptura se somete a traccin con una mquina

de universal de ensayos, soportando los extremos y forzando en la mitad, o

soportando un extremo y forzando el otro extremo con un martillo.

El rea expuesta de la fractura deber ser al menos de 3/4de ancho. Requerimientos.

La superficie expuesta de cada probeta rota deber mostrar penetracin y

fusin completa.

La dimensin de cualquier bolsa de gas no deber exceder de 1/16 de pulgada y el rea combinada de bolsas de gas no deber exceder el 2% de la

superficie expuesta.

Inclusiones de escoria no deben tener ms de 1/32 de profundidad y no deben tener ms de 1/8 o la mitad del espesor de pared en longitud el que sea mayor.

Deber haber al menos 1/2 " de separacin entre las inclusiones de escoria

adyacentes. (Figura 4)

Figura 4. Dimensionamiento de las Imperfecciones en las Superficies Expuestas de Soldadura.

Fuente: Norma API 11.04.pdf

Prueba de doblado lateral.

Preparacin.

Las probetas pueden ser cortadas por medios mecnicos o con oxgeno

hasta 3/4de ancho y luego deben ser maquinadas o esmeriladas hasta un ancho de 1/2.

Las dimensiones son mostradas en la figura 5.

Los lados deben ser uniformes y paralelos.

Figura 5. Espcimen de Prueba de doblado lateral.

Fuente: Norma API 11.04.pdf

Mtodo.

Las capas de refuerzo y de raz deben removerse a ras con la superficie de

la probeta.

La probeta debe ser doblada en una mordaza.

La probeta debe ser colocada con la suelda en la mitad de la apertura y con

la cara de la suelda perpendicular a la apertura.2

Requerimientos.

La prueba de doblez deber ser considerada como aceptable si ninguna

grieta u otra imperfeccin que exceda 1/8 in. (3 mm) o la mitad del espesor de

pared nominal, el que sea menor, en cualquier direccin est presente en la

soldadura o en medio de la soldadura y la zona de fusin despus del doblez. Las

grietas que se originen en el radio externo del doblez sobre los bordes del

espcimen durante la prueba y que sean menor que 1/4 in. (6 mm), medidos en

cualquier direccin, no debern ser considerados a menos que obvias

imperfecciones sean observadas. Cada espcimen sujeto a la prueba de doblez

deber cumplir estos requerimientos.3

Materiales y Equipos:

Materiales:

Figura 1. Tubera de lnea

2 Ing. Dvila Fernando, MBA; Instructor Internacional; Curso basado en API 1104; Quito; 2013

3 Norma API 11.04.pdf

Equipos:

Figura 2. Mquina limadora

Mquina de ensayos universales:

De marca Tinius Olsen, es una mquina hidrulica que permite realizar

ensayos de compresin y traccin, presenta adems un software propio que

muestra las cargas aplicadas y las elongaciones; con una capacidad mxima de

carga de 30 000 [lbf].

La mquina debe calibrarse para realizar un avance de entre 0.05 y 0.5

[mm/min], especificado segn la norma ASTM-E8. El equipo debe incluir un

extensmetro, el cual permite una mejor medicin de la elongacin del

material, medida en [mm].

Figura 3. Mquina para ensayos de traccin, Tinius Olsen.

Fuente: Laboratorio de Anlisis de Esfuerzos y Vibraciones.

Calibrador:

Equipo digital, con una apreciacin de 0,01 mm, cuya funcionalidad en la

prctica es evaluar el valor del dimetro de la probeta normalizada.

Figura 4. Calibrador digital.

Fuente: Laboratorio de Anlisis de Esfuerzos y Vibraciones.

Marcador (Punteador):

Equipo que posee varias puntas con una calibracin entre s de 25 [mm],

mediante el cual se establecen las marcas parmetro con una separacin de 50[mm] que permitirn el clculo de la deformacin.

Figura 5. Marcador

Dispositivo que permite una mejor medicin de la elongacin del material, colocado segn la norma ASTM E8, en una distancia de separacin de 50 [mm]; cabe indicar que el dispositivo no se utiliz en la prctica. Procedimiento:

1. Bajo la norma API 1104 se procede a cortar las probetas (8) para los ensayos de

traccin (2), doblado de cara (4), y Nick break (2), mediante Oxi-Corte.

2. Segn la norma se selecciona las probetas ya cortadas de acuerdo a su

ubicacin.

3. Se realiza el maquinado de las probetas mediante la limadora, hasta dejar un

acabado considerable y obtener las medidas correctas de stas segn la norma.

4. Con la amoladora se pule las caras de las probetas, as evitamos concentraciones

de esfuerzos, como tambin en la soldadura.

5. Segn la norma API 1104 para el doblado de cara las probetas de 10mm de

ancho no deben presentar raz ni cordn en su perfil, deben quedar probetas

completamente rectangulares.

6. Para las probetas de Nick break se procede a cortar con una sierra manual en el

centro de la soldadura una profundidad de 3mm a su alrededor para el ensayo.

7. Una vez listas las probetas se procede a realizar los ensayos de:

Traccin:

7.1 Se mide el rea transversal de cada probeta

7.2 Se realiza marcas a 50 mm para referencia y medir la deformacin

7.3 Se coloca la probeta en las mordazas

7.4 Se aplica una carga progresivamente.

7.5 Seleccionar la velocidad de ensayo de acuerdo con la norma ASTM.

7.6 Resultados: determinacin de las propiedades mecnicas de las

probetas ensayadas. La evaluacin del ensayo se realiza a partir de

las curvas tensin-deformacin. Los parmetros ms importantes son

tensin, Mdulo de elasticidad y deformacin o alargamiento

Nick break:

7.7 La probeta para la prueba de ruptura se somete a traccin con una

mquina de universal de ensayos, soportando los extremos y

forzando en la mitad, o soportando un extremo y forzando el otro

extremo con un martillo.

7.8 El rea expuesta de la fractura deber ser al menos de 3/4de ancho.

Doblado de cara:

7.9 La probeta debe ser doblada en una mordaza.

7.10 La probeta debe ser colocada con la suelda en la mitad de la

apertura y con la cara de la suelda perpendicular a la apertura.

7.11 La prueba de doblez deber ser considerada como aceptable si

ninguna grieta exceda 1/8 in. (3 mm) o la mitad del espesor de pared

nominal, el que sea menor, en cualquier direccin est presente en la

soldadura o en medio de la soldadura y la zona de fusin despus del

doblez

8.- Se toma los datos que se obtienen en la mquina universal de ensayos

9.- Se procede a graficar las curvas y a observar los datos experimentales

Datos Obtenidos

Con la finalidad de caracterizar el tipo de material base, se establece relacionar los

esfuerzos de fluencia y el esfuerzo ltimo de traccin, mediante los datos generados

en el ensayo de traccin de las muestras tomadas de la tubera. Debido a que las

fractura del material es fuera del cordn de soldadura.

Figura 6. Grafica esfuerzo vs. Deformacin unitaria (Probeta 1) Ensayo de Traccin.

Fuente: Laboratorio de Anlisis de Esfuerzos y Vibraciones.

Figura 7. Grafica esfuerzo vs. Deformacin unitaria (Probeta 2) Ensayo de Traccin.

Fuente: Laboratorio de Anlisis de Esfuerzos y Vibraciones.

Con la finalidad de determinar los valores de esfuerzo de fluencia y el esfuerzo

ltimo de traccin se procede al analisis de la figura 8, 9. Mediante un programa de

dibujo, con la finalidad de establecer valores aproximados.

Figura 8. Anlisis de grfica esfuerzo vs. Deformacin unitaria (Probeta 1).

= 58 []

= 77 []

Figura 9. Anlisis de grfica vs. Deformacin unitaria (Probeta 2).

= 57 []

= 76 []

Clculos para la probeta de traccin:

Para las dos probetas obtenemos un promedio del Sy y Sut y sus respectivas

deformaciones.

=57 + 58

2[]

= 57.5[]

=76 + 77

2[]

= 76.5[]

% =35 + 38

2[]

% = 36.5[]

El mdulo de elasticidad es caracterstico de cada material.

=

%

Donde:

E= Modulo de elasticidad

Sy= lmite de fluencia

%= porcentaje de deformacin

=. []

.

= . []

Anlisis de Resultados:

Los ensayos destructivos realizados, previo inspeccin visual de la tubera soldada

a tope, sin encontrarse defectos visibles, con dimensiones aceptables de refuerzo

y penetracin de raz de la soldadura, valores de 1/32 de pulgada, dentro de los

rangos aceptables, procedindose a ensayar tomando probetas para la calificacin

del procedimiento de soldadura cuyos resultados son mostrados a continuacin:

Ensayo de Doblado:

Figura 10. Figura.11.

Figura 12.

En la figura 10 como en la 11 y 12 se puede observar las probetas ensayadas por un

costado de la soldadura y frontalmente, lo cual indica que la soldadura es aceptable, el

procedimiento de doblado si califica

Ensayo de Nick Break:

dd Figura 13. Figura 14.

Figura 15. Figura 16.

En el ensayo de Nick break una de las 2 probetas present una deformacin o

irregularidad en la soldadura por lo que la soldadura para este procedimiento no aprueba.

Ensayo de Traccin:

Figura 17.

Figura 18.

Las dos probetas extradas de la tubera para el ensayo de traccin presentan una

fractura dctil con una zona final de desgarro, fuera del cordn de soldadura, se

establece que la soldadura cumple con los requerimientos y especificaciones

mnimas de soldadura.

Conclusiones:

1. Las pruebas que se deben practicar en una muestra determinada, deben ser

analizadas segn la norma correspondiente, en nuestro caso se analiz segn la norma API 11.04, por la que se realiz probetas para ensayos de traccin, Nick break y doblado de cara.

2. Al no conocer el tipo de material es posible caracterizar mediante grficas

mostradas del ensayo de traccin, se establece la relacin de dimensiones, con la

finalidad de establecer valores nominales de esfuerzo de fluencia, 56 ksi y de 76

ksi esfuerzo ltimo a la traccin, basndose en especificaciones para tubera API

5L, 43th edicin, a Diciembre de 2004, Tabla 3B- Requerimientos a Traccin para

PSL 2, Especificaciones de requerimientos mandatorios para tubera, estableciendo

una tubera de material Grado X60, con un esfuerzo mnimo de fluencia de 65 ksi,

y esfuerzo mnimo de rotura a traccin de 75 ksi.

3. Segn los ensayos realizados, en la prueba de traccin realizadas a ambas probetas, se visualiza que la probeta se fractura en el metal base, se encuentra fuera del rea afectada por el calor; por lo que concluimos que ambas se aceptan de acuerdo a la norma API 11.04 para probetas de traccin.

4. Mediante los ensayos realizados, en la prueba de Nick break, realizadas a dos probetas, segn lo especifica la norma, se visualiza que una probeta tena una muesca con un dimetro mayor al 2% del rea transversal, con lo cual se puede concluir que el procedimiento de soldadura de esta pieza no es aprobado.

5. Segn los ensayos realizados, en la prueba de doblado lateral, realizadas cuatro

probetas, segn lo especifica la norma, se visualiza que las probetas se aceptan de acuerdo a la norma anteriormente citada.

6. La norma API 11.04 enfoca la responsabilidad de Ingenieros hacia el diseo, montaje, construccin, operacin, cambios o modificaciones en plantas industriales, facilidades petroleras, refineras, o plantas petroqumicas.

7. La variedad de materiales existentes, nos permiten conocer ms acerca de las

normas que se pueden aplicar para realizar los ensayos pertinentes, dependiendo de la forma, tipo o procedimiento que ha recibido determinado material.

Recomendaciones:

1. La calificacin de un procedimiento de soldadura, debe estar debidamente

respaldado por un WPS calificado, ya que la caracterizacin y los parmetros de soldadura influyen en las especificaciones que debe cumplir mecnicamente el cordn de soldadura.

2. La aplicacin para la cual se establece la necesidad de calificar un procedimiento de soldadura, debe estar basado en los mnimos requerimientos que debe cumplir la soldadura para la aplicacin, as se establecen los parmetros mnimos de aceptacin de acuerdo a la norma.

3. El procedimiento para obtener el nmero de probetas as como el tipo de ensayos

a realizar se establecen en la norma aplicada por tal motivo es recomendable seguir los lineamientos especificados as como las dimensiones requeridas, con la finalidad de obtener las respectivas caractersticas y el adecuado comportamiento del material en el ensayo.

4. Es recomendable antes de especificar un mtodo y procedimientos para la

calificacin de una soldadura analizar y conocer una norma, la cual debe establecer y definir criterios de aceptacin, evitando cometer el error de confundir entre un cdigo establecido y una norma, en este caso el conocimiento de la norma API 1104, ha permitido un aprendizaje de responsabilidad del diseo, as como la aceptacin y rechazo en de una soldadura.

5. La prestacin de la instrumentacin adecuada as como de diferentes tipos de mquinas as como la tutora establecida entre los diferentes miembros de la colectividad de la Facultad de Ingeniera Mecnica de la Escuela Politcnica Nacional para el mecanizado de las probetas extradas de la tubera debe

mantenerse ya que la gran mayora de estudiantes presentan proyectos los cuales les ayuda a crecer profesionalmente con buenas iniciativas.

6. Es recomendable que el laboratorio de Anlisis de Esfuerzos y Vibraciones de la

Escuela Politcnica Nacional, mantenga este tipo de proyectos ya que acercan a la realidad de los procedimientos, mtodos y anlisis de una soladura o de un producto el cual requiera de un ensayo, ya que este trabajo ha logrado mantener el inters por parte de los estudiantes que han desarrollado el presente proyecto al ganar experiencia y conocimientos crticos en el campo laboral.

Referencias:

Ing. Dvila Fernando, MBA; Instructor Internacional; Curso basado en API 1104;

Quito; 2013

Norma API 11.04.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Oleoducto

Mecnica de Materiales, 7ma edicin, James M. Gere, pg. 993

Anexos:

Ubicacin de cortado para las probetas segn API 1104

Corte mediante oxicorte del tubo segn norma API 1104

Limado de las Probetas

Esmerilado de las Probetas

Ranurado para Nick break

Maquinado de las probetas